ИСКУССТВЕННЫЙ ХОЛОД

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

Холод получают путём отвода тепла от газообразного, жидкого или твёрдого тела. Например, охлаждают воз­дух камер с пищевыми продуктами, замораживают воду при производстве искусственного льда или рыбу на про­мыслах. Во всех этих случаях тепло отводится от охлаж­даемого тела к охладителю или, как его называют, р а - бочему телу. Это относится и к простейшим случаям. Например, тёплое молоко в бидонах охлаждают в баках с холодной колодезной водой. Рабочее тело — вода в баке — при этом повышает свою температуру.

Понижение температуры достигается также за счёт расширения сжатых газов. Конечно, газ не сжимается сам собой. Для этого должна быть приложена сила извне, т. е. совершена работа. Затраченная на сжатие газа работа перейдёт в тепло, газ нагреется. Частицы его ускорят своё движение. Толчки частиц о стенки сосуда станут более частыми и сильными, а это значит, что повысится давление газа. Теперь дадим сжатому газу возможность расши­риться. Расширяясь, газ совершит такую же работу, какая была затрачена на его сжатие. Работа эта может быть со­вершена только за счёт тепловой энергии самого газа. Если при этом газ заключён в оболочку, не проводящую тепла, так что притока тепла снаружи не будет, то темпе­ратура газа значительно понизится. Таким образом, рас­ширение газа приводит к его охлаждению.

Это явление используется в особых газовых холодиль­ных машинах, в которых рабочим телом служит воздух.

Однако способы получения холода без изменения агрегатного состояния рабочего тела недостаточно эко­номичны.

Лучшие результаты получаются, когда рабочее тело изменяет своё агрегатное состояние, т. е. переходит из твёрдого состояния в жидкое или из жидкого в парообраз­ное. Эти изменения охладителя должны происходить при низких температурах и сопровождаться поглощением от­носительно большого количества тепла из охлаждаемой среды.

Каждому агрегатному состоянию тела соответствуют определённые температура и давление. С изменением агре­гатного состояния меняется и взаимное расположение ча­стиц в теле. При этом изменяются многие физические свойства тела.

Изменение агрегатного состояния вещества сопровож­дается выделением или поглощением скрытой теплоты, ко­торая расходуется на перегруппировку частиц. Поэтому оно происходит при постоянной температуре, которая за­висит от физических свойств вещества и условий его пере­хода из одного состояния в другое.

Если к твёрдому телу непрерывно подводить тепло, то при определённой температуре оно начнёт переходить в жидкое состояние, т. е. плавиться. Примером плавления твёрдого тела, используемого для охлаждения, является таяние льда.

Что происходит с частицами льда при его таянии?

Лёд — твёрдое тело; его частицы образуют, как мы уже говорили, кристаллическую решётку. Между части­цами льда действуют большие силы притяжения, или сцепления. При таянии льда порядок в расположении

Частиц нарушается. Они срываются со своих мест и прихо­дят в беспорядочное движение — образуется жидкость. Для того чтобы преодолеть силы сцепления, т. е. разру­шить кристаллическую решётку, необходимо затратить энергию. На это и расходуется подводимое ко льду тепло.

Некоторые твёрдые тела при плавлении сразу перехо­дят в парообразное состояние. Такое изменение агрегат­ного состояния вещества называется возгонкой, или сублимацией. Для получения холода используется сублимация так называемого сухого льда, со свойствами которого мы познакомимся ниже.

Охлаждение, основанное на таянии льда из воды или сублимации сухого льда, называется ледяным.

В современной холодильной технике применяется глав­ным образом машинное охлаждение, а в некоторых случаях — ледяное и ледосоляное охлаждение, причём в основе всех этих способов получения холода ле­жит изменение агрегатного состояния вещества.

Что происходит в смеси льда с солью?

В ней одновременно протекают два процесса: таяние льда и растворение соли. При растворении соль переходит из твёрдого состояния в раствор. На этот переход затра­чивается тепло, которое идёт на преодоление сил взаимо­действия между частицами соли. Поэтому температура образующегося рассола получается ниже, чем темпера­туры льда и соли, взятых отдельно. Смесь, состоящая из четырёх весовых частей льда и пяти частей хлористого кальция, понижает температуру до — 40°С. Но чаще в про­мышленности применяется ледосоляное охлаждение, осно­ванное на использовании смеси дроблёного льда и обык­новенной поваренной соли. При этом температура смеси зависит от количества добавляемой ко льду соли. При добавлении ко льду 30 процентов соли (по весу) дости­гается наиболее низкая температура — 21,2° С.

Ледяное и ледосоляное охлаждения, основанные на из­менении агрегатного состояния рабочего тела, исполь­зуются в пищевой промышленности, в торговой сети и на железнодорожном транспорте при перевозке скоропортя­щихся грузов.

Огромное значение в холодильной технике имеет ма­шинный способ получения холода, основанный на явле­нии испарения некоторых жидкостей при низких темпера­турах. В том, что при испарении жидкости происходит охлаждение, легко убедиться. Смочите руку водой, а по­том, не вытирая, помахайте ею в воздухе. Вы сразу почув­ствуете, что рука стала холоднее. Быстро испаряясь, вода охлаждает кожу мокрой руки.

Испарение жидкости происходит по-разному. Если жид­кость превращается в пар только с поверхности, то это испарение. Если же парообразование происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри её, то это кипение.

Проследим, как вода при её нагревании обращается в пар. При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба) температура воды, постепенно повы­шаясь, доходит до + 100° С, а затем остаётся постоянной, сколько бы мы её ни нагревали. Вода при этом кипит.

Температура испарения и кипения жидкости зависит от давления образующихся над ней паров. Например, на очень высокой горе воздух более разрежен, чем у подно­жия, и, следовательно, давление его ниже нормального. Поэтому при нагревании вода здесь кипит при темпера­туре ниже+ 100° С. Наоборот, в паровом котле, где дав­ление в несколько раз превышает нормальное, вода кипит при температуре выше+ 100° С.

На испарение и кипение жидкости, как и на плавление твёрдого тела, необходимо затратить тепловую энергию.

Эта энергия идёт на преодоление сил сцепления между частицами жидкости при превращении её в пар. Количе­ство тепла, необходимое для превращения в пар одного килограмма жидкости, зависит от давления паров и

Определяется фИЗИЧеСКИМИ СВОЙСТВаМИ ЖИДКОСТИ. ЭТО КО'

Личество тепловой энергии составляет теплоту паро­образования данной жидкости.

Когда от паров отнимается тепло, они снова превра­щаются в жидкость, т. е. конденсируются.

Охлаждением путём испарения люди пользовались давно. В древнем Египте* например, так охлаждали воду.

Вода просачивалась через поры сосуда и быстро испаря­лась в наружном воздухе. Чтобы ускорить испарение, рабы приводили воздух в движение опахалами (рис. 2).

Каждый из вас может сделать простейшую холодиль­ную «машину», основанную на испарении жидкости. Обер­ните плотно мокрой тряпкой банку со сливочным маслом и поставьте её в тарелку с водой (рис. 3). По тряпке, края которой должны быть погружены в воду, вода подни­мается вверх, подобно тому, как по фитилю поднимается керосин к горелке лампы. Благодаря испарению воды с мокрой тряпки (если к тому же этот простой холодильник поместить на сквозняке) масло в банке затвердеет: испа­рение воды вызовет охлаждение масла.

Низкие температуры в промышленности получают при испарении некоторых так называемых летучих жидко­стей, имеющих низкие температуры кипения. Они служат рабочим телом в паровых холодильных машинах.

Для получения очень низких температур — до минус 200° С и ниже — применяется так называемое глубокое

ІЗ Н. С. Комаров
охлаждение. Оно основано на явлении охлаждения газа при его расширении. Глубокое охлаждение состав­ляет отдельную большую от­расль холодильной техники.

Первые попытки получения глубокого охлаждения были сделаны ещё в прошлом веке, когда учёные впервые попыта­лись превратить некоторые га­зы в жидкость. В настоящее время любой газ можно полу­чить в жидком виде. Например, воздух, которым мы дышим, превращается в жидкость, ко­торая имеет температуру около — 193° С.

Простейшая схема получе­ния жидкого воздуха приведена на рисунке 4.

Невольно возникает вопрос, какая же может быть полу­чена самая низкая температу­ра тела. Учёные установили, что такой предельной темпера­турой является температура —273,16° С. При этой темпера­туре должно полностью пре­кратиться тепловое движение частиц в теле. Поэтому темпе­ратура —273,16° С и принята за абсолютный нуль особой температурной шкалы Кельвина (со­кращённо К). Отсчёты температур по этой шкале могут быть только положительными.