Из школьного курса физики известно, что понятия «холод» и «тепло» 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 к другому лишь при наличии разности температур между ними. Вещества находящиеся в одном из трех агрегатных состояний — твердом, жидком или газообразном — в зависимости от окружающих условий (давления и температуры) могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества.
Твердая фаза вещества — характеризуется жесткой молекулярной структурой, твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимаясь.
Жидкая фаза вещества — молекулы в этой фазе обладают 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.
Паровая или газовая фаза — в этом состоянии молекулы 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.
В холодильной технике обычно используются вещества в жидком или газообразном состоянии.
Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, принято называть холодным.
Таким образом, можно сказать, что исходя из понятий холод и тепло, следует определить следующее: холод — это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды.
Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:
— с помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты;
— с помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок, которые составляют специализированную область техники, называемую холодильной техникой.
Также следует упомянуть о физических принципах получения низких температур.
Охлаждение за счет фазовых превращений
При достижении твердым телом температуры плавления, дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты — из жидкости в твердое тело).
Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. Например, при атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна 0°С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду называется удельной теплотой плавления.
Кипение — процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты.
Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах.
Кипящую жидкость принято называть холодильным агентом (хладагентом), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества — испарителем.
Точки кипения некоторых веществ:
— вода +100°С;
— машинное масло +380-400°С;
— хладагент R12 — +29,8°C;
— хладагент R134a — +26,5°С.
Сублимация — переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. При атмосферном давлении сухо лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре -78,9°С. Удельная теплота сублимации 571 кДж/кг.
Испарение — процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения, из поверхностного слоя, жидкость при этом охлаждается. При атмосферном давлении и температуре 0°С удельная теплота испарения воды составляет 2509 кДж/кг.
Дросселирование (эффект Джоуля-Томпсона)
Еще один из основных процессов заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой. В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. Данный процесс происходит в регулирующем вентиле или дроссельном узле (капиллярной трубке) компрессорной установки.
Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье)
Данный эффект используется в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока.
Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша)
Вихревой эффект создается с помощью специального устройства — вихревой трубы. Основан на разделении теплого и холодного воздуха в закрученном потоке внутри трубы.
