Физические основы искусственного охлаждения

Из физики известно, что понятия "холод" и "теплота" условны, так как их физическая природа одинакова. Теплота - это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды, и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела*) к другому лишь при наличии разности температур между ними.

Вещества находятся в одном из трех (основных) фазовых (агрегатных) состояний - твердом, жидком или газообразном - в зависимости от окружающих условий (давления и температуры) и могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества.

Твердая фаза - агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается.

Жидкая фаза - агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения. Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная особенность жидкости - текучесть, благодаря которой она принимает форму сосуда, в котором находится.

Газовая или паровая фаза - агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится.

Пар отличается от газа тем, что его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ - это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество - газ - не меняет своего агрегатного состояния.

Если температура вещества выше температуры окружающей среды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или нагретым). Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением.

Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, называют холодным.

Таким образом, исходя из относительности понятий холода и теплоты, можно дать следующее определение: холод - это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды.

По температурному уровню различают области (рис.1): умеренного холода - от температуры окружающей среды (условно 20°С) до - 120°С - и глубокого холода - от - 120°С до абсолютного нуля (-273,15°С).

Искусственное охлаждение можно осуществить двумя способами:

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

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

Рисунок 1 - Области искусственного охлаждения.

Прежде чем перейти к более подробному рассмотрению способов искусственного охлаждения, остановимся еще на некоторых понятиях и определениях, без усвоения которых невозможно изучение основ холодильной техники.

Количество теплоты Q измеряют в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж).

Тепловой поток, тоже Q, - это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 с. Следовательно, тепловой поток выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или килоджоулях в секунду (кДж/с). Но 1 Дж/с=1 Вт, а 1кДж/с=1 кВт, т.е. тепловой поток как один из видов энергии выражают в тех же единицах, что и мощность.

Удельная теплоемкость с - это количество теплоты в Дж (кДж), которое необходимо отвести (подвести) от вещества (к веществу) массой 1 кг, чтобы понизить (повысить) его температуру на 1°С (или 1 К - кельвин). Эта величина зависит от температуры вещества и его агрегатного состояния. В практических расчетах можно принимать следующие значения удельной теплоемкости: для воды - 4,19 кДж/ (кг× К), глицерина - 2,26, водного льда - 2,095, стали - 0, 425, воздуха при давлении 0,1 Мпа (760 мм рт. ст.) - 1 кДж/ (кг× К).

При отводе (подводе) теплоты переход через определенный температурный предел вызывает изменение агрегатного состояния.

Так, при дальнейшем отводе теплоты от воды, когда ее температура уже снизилась до 0°С, она замерзает, а при дальнейшем подводе теплоты, когда температура поднялась до 100°С, вода закипает.

Обычно теплоту, вызывающую изменение только температуры (без изменения агрегатного состояния) называют "сухой". Ее количество, необходимое для понижения (повышения) температуры вещества массой М от начальной температуры t₁ до конечной t₂, определяют по формуле: Q = Mc (t₁ - t₂)

Дата добавления: 2014-01-07