Фазовые превращения вещества

Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:

1. C помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты, чаще всего при изменении его агрегатного состояния;

2. C помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок, которые составляют специализированную область техники, называемую холодильной техникой.

Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения физические процессы, которые не сопровождаются химическими изменениями вещества. Они происходят при подводе или отводе теплоты, которая расходуется на изменение связей между молекулами. Фазовые переходы однородных тел происходят при постоянной температуре, зависящей от условий перехода и физических свойств вещества. При фазовых превращениях некоторые вещества поглощают значительное количество теплоты, что позволяет их использовать для охлаждения. К процессам изменения фазового состояния относятся: плавление; отвердевание; кипение; конденсация и сублимация.

Плавление – это переход твердого тела в жидкое состояние. Процесс происходит только при подводе теплоты. При достижении температуры плавления тело переходит в жидкое состояние. Дальнейшего повышения температуры вещества не происходит, а подводимая теплота тратится на изменение состояния вещества.

Отвердевание – это переход тела из жидкого состояния в твердое. Процесс происходит при постоянной температуре и отводе теплоты. Температура называется температурой отвердевания (замерзания).

Рис. 2. В диаграмме p - t: I – твердая фаза; II – жидкая фаза; III – газообразная фаза.

На линиях: АВ – вещество находится в твердом и газообразном состоянии; АД – в жидком и газообразном; АС – в твердо и жидком.

Точка А – тройная точка, в которой вещество находиться сразу в трех состояниях.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1кг твердого вещества в жидкость называется скрытой теплотой плавления Q, которую определяют по формуле:

Q=Mr,

где M - масса вещества, кг; r - скрытая теплота плавления, кДж/кг.

Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре. На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой водяного льда или искусственно замороженной воды с использование льдогнераторов. При плавлении водного льда температуру охлаждения можно понизить до 0°С. Для получения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависит от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22,4% хлористого натрия (NaCl), температура плавления смеси равна –21,2°С, а r=236,1 кДж/кг. Применяя в смеси хлористый кальций (CaCl) в количестве 29,9% - температура плавления смеси составляет –55°С, а кДж/кг.