Физические принципы понижения температуры

Любой процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения.

Охлаждение возможно за счет отдельных процессов (таяние льда, испарение жидкого азота, сублимация углекислого газа и др.), но он прекращается после выравнивания температур. На практике чаще применяется циклические процессы с возобновлением рабочего вещества, которые могут быть реализованы в обратном термодинамическом цикле.

Температура рабочего вещества может понижаться при помощи фазовых превращений (плавления, кипения, сублимации), растворении соли, дросселирования газа (эффект Джоуля-Томсона), посредством вихревого эффекта, расширения сжатого газа, термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье), десорбции газов, размагничивания твердого тела, и других физических процессов.

Рассмотрим некоторые из этих процессов.

1)Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация)

Использование фазовых превращений связано с тем, что переход от кристаллического состояния к жидкому, а затем к газообразному протекает с поглощением тепла, а в свою очередь обратные переходы сопровождаются выделением тепла. В качестве примера рассмотрим фазовые переходы для воды. В таблице 3.1 приведены значения энтальпий (теплот) образования воды в различных агрегатных состояниях.

ΔН⁰₂₉₈	ΔН⁰₂₉₈(Н₂О_к)	ΔH⁰₂₉₈(Н₂О_ж)	ΔН⁰₂₉₈(Н₂О_г)
кДж/моль	–291,9	–285,8	–241,8

Таблица 3.1 Значения энтальпий (теплот) образования воды

Используя следствие из закона Гесса вычислим теплоты фазовых преходов.

1) Плавление – это фазовый переход H₂O_(к) = H₂O_(ж).

ΔН⁰_{298 плавл.}(Н₂О_к) = ΔН⁰₂₉₈(Н₂О_ж) – ΔH⁰₂₉₈(Н₂О_к) = –285,8 – (–291,9) = +6,1 кДж/моль. При плавлении 18 г льда поглощается 6,1 кДж энергии.

2) Кипение (испарение) – это фазовый переход H₂O_(ж) = H₂O_(г).

ΔН⁰_{298 исп.}(Н₂О_ж) = ΔН⁰₂₉₈(Н₂О_г) – ΔH⁰₂₉₈(Н₂О_ж) = –241,8 – (–285,8) = +44 кДж/моль. При испарении 18 г воды поглощается 44 кДж энергии.

Из сравнения полученных значений следует, что холодопроизводительность за счет испарения воды более чем в семь раз превышает соответствующий показатель для плавления воды.

3) Сублимация (возгонка) – это фазовый переход H₂O_(к) = H₂O_(г).

Он состоит из суммы двух фазовых переходов.

ΔН⁰_{298сублим.}= ΔН⁰₂₉₈_плавл.(Н₂О_к) + ΔН⁰_{298 исп.}(Н₂О_ж) =

+6,1 + 44 = 50,1 кДж/моль.

2)Растворение соли.

Растворение – это сложный физико-химический процесс взаимодействия растворенного вещества с растворителем. Об этом свидетельствует выделение или поглощение тепла, изменение объема, окраски и другие явления, протекающие в процессе растворения. Взаимодействие растворенного вещества с растворителем называется сольватация, а в случае водных растворов – гидратация.

Процесс растворения включает три основные стадии.

1 Разрушение растворенного вещества до уровня молекул или ионов. Этот процесс требует затраты энергии.

2 Взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества. Сольватация (гидратация) сопровождаются выделением энергии.

3 Равномерное распределение сольватов (гидратов) в растворителе. Является следствием диффузии и требует затраты энергии.

Суммарный тепловой эффект процесса растворения определяется суммой всех тепловых эффектов процессов протекающих

при растворении.

На практике для получения низких температур используются так называемые охлаждающие смеси. Известно много рецептов таких смесей. Приведем наиболее распространенные из них.

1. При смешивании 1 части поваренной соли с 3 частями снега или точеного льда можно достигнуть температуры -21 ⁰С. При уменьшении концентрации соли эффект охлаждения снижается. Например, для 10% раствора соли температура составляет -6,1 ⁰С, для 18% – -12,1 и для 28% – -1,3.

2. При смешивании 1,5 частей кристаллогидрата хлорида кальция (СаСl₂·Н₂О) или с 1 частью снега можно достигнуть температуры -55 ⁰С.

3. При смешивании твердой углекислоты (сухой лед) и диэтилового эфира температура может достигать -78 ⁰С.

4. При смешивании 1 части нитрата аммония снега или точеного льда с 1 частью поваренной соли можно достигнуть температуры -20 ⁰С.

Охлаждение в приведенных случаях является следствием затраты энергии на разрушение кристаллических решеток растворенного вещества и растворителя. При этом растворенное вещество следует брать в виде кристаллогидрата. В случае безводной соли на процесс разрушения кристаллической решетки накладывается процесс образования соответствующего кристаллогидрат, сопровождающийся выделение тепла.

3)Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона).

Дросселированием называют процесс прохождения жидкости или газа через сужение или какое-либо местное сопротивление. Дросселирование жидкостей используется в парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машинах.