Способы искусственного охлаждения
Известно, что температура тела определяется кинетической энергией теплового движения его молекул. Охлаждение тела до температуры окружающей среды происходит естественным (самопроизвольным) путем вследствие теплопередачи, т.е. передачи части кинетической энергии теплового движения молекул тела окружающей среде. В результате такой естественной теплопередачи кинетические энергии двух тел (тела и окружающей среды), а также и температуры их выравниваются.
Среда с более низкой температурой может быть естественной (воздух в естественном состоянии, холодная вода и др.) или искусственной. Если тело охлаждают в искусственно созданной среде ограниченного объема, то такое охлаждение называют искусственным. К искусственному охлаждению прибегают, когда естественное охлаждение не может понизить температуру тела до требуемой величины.
Существует несколько способов искусственного охлаждения среды (камеры) ограниченного объема. Простейшими из них являются способы, когда в охлаждаемую среду ограниченного и теплоизолированного объема вводится (вносится) холодное рабочее вещество. При этом очень часто используют скрытую теплоту плавления рабочих веществ. Например, при внесении в охлаждаемую среду водного льда часть тепла этой среды естественным путем будет передаваться льду и затрачиваться на его плавление, а температура охлаждаемой среды понизится. Самая низкая температура, которая может быть достигнута при этом, ограничена температурой плавления льда, т.е. 0° С. Для получения таким способом температуры ниже 0 °С используют скрытую теплоту плавления льдосоляной смеси. Температура плавления льдосоляной смеси зависит от рода соли и ее количественного содержания во льду. На практике часто используют смесь дробленого льда с технической поваренной солью. При этом самая низкая температура таяния смеси (–21,2° С) достигается при концентрации соли 23,1%.
Таким же простым способом искусственного охлаждения является использование веществ, обладающих большой теплоемкостью. При этом рабочее вещество предварительно охлаждают до требуемого уровня, а затем помещают в охлаждаемую среду малого объема, например сумку термостата. Температура в охлаждаемой среде понижается вследствие поглощения части тепла теплоемким холодным рабочим веществом.
Для охлаждения таким же способом используют явление сублимации – перехода твердого тела (сухого льда) при атмосферном давлении и температуре охлаждаемой среды в газообразное состояние (без промежуточного перехода в жидкую фазу). В качестве рабочего вещества при этом используют углекислоту. Твердую углекислоту получают из газообразной путем конденсации сжатых до высокого давления паров углекислоты и последующего резкого расширения жидкой фазы. При внесении твердой углекислоты в охлаждаемую среду она сублимирует, т.е. переходит непосредственно в парообразное состояние при температуре паров –78,9 °С. Этой температурой и определяется уровень охлаждения, который может быть достигнут при сублимации углекислоты.
Таким образом, с помощью внесения в охлаждаемую среду холодных рабочих веществ можно достичь значительного уровня охлаждения. Однако для поддержания в охлаждаемой среде температуры па постоянном низком уровне в течение длительного времени необходимо иметь большой запас рабочих веществ. Поэтому способы искусственного охлаждения имеют в быту ограниченное применение.
Более широкое распространение получили различные способы машинного охлаждения. Простейшим из таких способов является способ дросселирования (резкого понижения давления) сжатых газов. Если газ при температуре окружающей среды подвергнуть сильному сжатию, а затем обеспечить процесс адиабатического расширения при резком понижении давления, то температура газа понизится и его можно использовать в качестве охладителя. Однако получение низких температур таким способом связано с большими энергетическими затратами. Способ дросселирования имеет широкое применение в технике глубокого охлаждения при сжижении газов.
