Физические основы получения низких температур

В холодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого тела производится ниже температуры окружающей среды. Теплоту передают рабочему телу (холодильному агенту), температура которого должна быть понижена. На практике для получения низких температур и охлаждения рабочего тела используют фазовые переходы (плавление, кипение, сублимация), дросселирование, расширение газов и паров с отдачей внешней работы, термоэлектрический метод и другие методы.

Фазовые переходы характеризуются термодинамическим равновесием систем, которые устанавливаются при нужной температуре и соответствующем равновесию давлении.

Условия равновесия выражаются уравнением:

,

где Δi – разность энтальпий фаз (скрытая теплота фазового перехода);
Δv – изменение удельного объёма в процессе фазового перехода.

Расширение газов и паров с отдачей внешней работы сопровождается уменьшением температуры рабочего тела. При адиабатном расширении:

,

где – начальная и конечная температуры; – начальное и конечное давление; к – коэффициент адиабатного расширения.

На практике процессы расширения обычно происходят с подводом теплоты, что обусловливает их политропический характер, при этом. Здесь n – коэффициент политропы расширения рабочего тела.

Дросселирование представляет собой расширение пара или газа при прохождении через суженное отверстие. Дросселирование сопровождается изменением температуры (эффект Джоуля – Томсона).

Если дросселирование происходит без обмена энергией с окружающей средой и без изменения кинетической энергии потока, то энтальпия до и после дросселирования равны:

.

Вследствие необратимости дросселирование сопровождается ростом энтропии:

.

Для реального газа внутренняя энергия зависит от объема и, в общем случае, при дросселировании:

≶,

≶.

Положительное значение ΔТ наблюдается в случае, когда температура после дросселирования понижается.

Термоэлектрический эффект заключается в следующем: при протекании постоянного тока J через контакт двух проводников (или полупроводников) в местах контакта поглощается либо выделяется некоторое количество теплоты (эффект Пельтье):

,

где π – коэффициент Пельтье, зависящий от свойств проводников.