Способы получения низких температур

Агрегатное состояние вещества характеризуется следующими фазами:

- твердая

- жидкая

- газообразная

которые зависят от температуры и давления.

Диаграмма фазового состояния диоксида углерода (СО₂).

Р, кПа Д С

I II

III

517 B

A

- 56,6 + 31 t (⁰C)

I - твердая фаза

II - жидкая фаза

III - газообразная фаза (перегретый газ, пар)

Пограничная линия между этими агрегатными состояниями представляет собой совокупность точек, в которых могут находиться в термодинамическом равновесии какие - либо две фазы:

твердое тело - пар (АВ),

жидкость - пар (ВС),

жидкость - твердое тело (ВД).

Кривая АВ - характеризует давление насыщенных паров диоксида углерода (СО₂).

Из диаграммы видно, что при давлении ниже 517 Па, или при температуре ниже - 56,6 ⁰C СО₂ может, находится лишь в твердой фазе и газообразной фазах. Только при этих давлениях (Р) возможна сублимация твердого СО₂ (тв. -газ). t сублимации является функцией давления.

Кривая ВС - характеризует давление насыщенных паров жидкой углекислоты

Р _{критическая} = 7846 кПа

t = 31 ⁰C

Кривая ВД - плавления (затвердевания) СО₂

В отличие от аналогичной кривой для водного льда кривая ВД имеет положительный наклон к оси абцис.

В (·) В термодинамическое равновесие находится одновременно в трех фазах.

Параметрами этой (·) - называемой тройной точкой является давление 517 кПа и температура -56,6 ⁰C.

При давлении 702 кПа и подводе теплоты, твердый СО₂, как и водный лед последовательно переходит в жидкую, а из жидкой в газообразную фазу.

При давлении больше 517 кПа жидкой фазы СО₂ не существует.

Сведения о термодинамических свойствах СО₂ (энтальпия и энтропия) содержится в диаграммах i (t) и S (t).

Однако, эти даграммы непозволяют судить о количественном соотношении фаз в тройной точке, а значит не дает возможность определить энтропию и энтальпию в трех фазной смеси.

Поэтому, для определения энтальпии трехфазной смеси пользуются уравнениями:

где:- энтальпии соответственно жидких, газообразных и твердых фаз.

x,y,z - массовые доли этих фаз.

Холодопроизводительность 1 кг СО₂ равна разности энтальпий парообразной фазы имеющий Р и t охлаждающей среды и твердых фаз.

Теплота плавления (замерзания) СО₂ в тройной точке равна разности энтальпий жидкой и твердой фазы при давлении 517 кПа. Значение теплоты плавления тройной точки составляет 195,7 кДж / кг.

При давлении выше 517 кПа и температурах выше -56,6 ⁰C теплота плавления практически мало отличается от теплоты плавления в тройной точке.

Удельная теплоемкость твердого диоксида углерода (кДж / кг· к) СО₂ в диапазоне температуре от 57 до -110 ⁰C определяется по формуле:

Теплопроводность СО₂ при =1400 кг/м³ составляет 0,384 Вт/ м·К.

Лучшим сырьем для заводов сухого льда является углекислота спиртового брожения (почти 100 % СО₂).

Фазовые превращения является физические процессы (плавление, кипение, сублимация) в которых вещества поглощают относительно большое количество теплоты при низкой температуре, что позволяет применить их для получения охладительного эффекта.