Охлаждение с помощью фазовых превращений

Охладить тело, т. е. отнять от него тепло, может только другое тело, температура которого ниже температуры охлаждаемого. Количество теплоты, которое отнимает охлаждающее тело от охлаждаемого тела или среды, характеризует его холодильный эффект, называемый холодопроизводительностью.

В качестве охлаждающих используют тела, с помощью которых совершаются физические процессы, протекающие при низких температурах со значительным поглощением теплоты, в частности процессы изменения агрегатного состояния тела. Для достижения низких температур применяют также процессы расширения с совершением внешней полезной работы, процесс дросселирования (эффект Джоуля—Томсона), вихревой эффект (эффект Ранка—Хильша), термоэлектрические процессы (эффект Пельтье).

Изменение агрегатного состояния тела протекает без изменения его температуры, т.к. поглощаемая (выделяемая) телом теплота расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. Для охлаждения используют процессы изменения агрегатного состояния тел, протекающие с поглощением теплоты:

плавление – переход твердых тел в жидкое состояние;

сублимация – переход твердых тел непосредственно в парообразное состояние;

кипение – переход жидких тел в парообразное состояние.

Наиболее доступным охлаждающим телом является водный лед, температура плавления которого 0 °С. Более низкую температуру плавления имеет эвтектический лед, представляющий собой замороженный раствор воды с солью, а также смеси раздробленного льда или снега с солью. Холодопроизводительность 1 кг льда соответствует теплоте плавления r = 335 кДж/кг. Более низкую температуру плавления имеет эвтектический лед, представляющий собой замороженный раствор воды с солью, а также смеси раздробленного льда или снега с солью. Снижение температуры плавления этих тел ниже 0 °С объясняется тем, что в них, кроме плавления, протекает еще процесс растворения соли в воде, сопровождаемый понижением температуры плавления смеси, наряду с этим уменьшается и теплота плавления.

Телом, имеющим низкую температуру и большую теплоту сублимации, является твердая углекислота (двуокись углерода СО₂), которую называют сухим льдом. При атмосферных условиях этот лед переходит из твердого состояния в газообразное (минуя жидкую фазу) при температуре – 78,9 °С. При этом 1 кг сухого льда поглощает около 575 кДж теплоты.

Лед и льдосоляные смеси, размещенные в заданной среде, охлаждают ее, поглощая теплоту при плавлении или сублимации.

В отдельных случаях для искусственного охлаждения применяют жидкости, имеющие очень низкую температуру кипения. К ним относят жидкий воздух (температура кипения -192 °С), жидкий кислород (-183 °С) и жидкий азот (-196 °С).

Способы охлаждения, основанные на использовании процессов изменения агрегатного состояния, имеют ряд недостатков. В частности, охлаждающие тела, воспринимая теплоту от охлаждаемой среды и изменяя свое агрегатное состояние, теряют охлаждающую способность. Поэтому непрерывное охлаждение возможно только при бесконечно большом запасе охлаждающего тела. Так, для непрерывного охлаждения камеры хранения продуктов можно применить лед, но по мере таяния его необходимо заменять на новый.

Однако непрерывное охлаждение можно обеспечить и при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества, если после получения холодильного эффекта его вернуть в первоначальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных машин.