Тема № 1   Фізичні принципи отримання низьких температур

План

1.1 Поняття теплоти і холоду

1.2 Поняття "робоче тіло" та параметри, які характеризують його стан

1.3 Загальний принцип роботи холодильних машин

1.4 Характеристика способів штучного охолодження

    1.4.1 Охолодження за допомогою процесів фазового переходу

    1.4.2 Адіабатичне дроселювання газу

    1.4.3 Вихровий ефект Ранка-Хільша

    1.4.4 Термоелектричний ефект Пельєтьє

 

Поняття теплоти і холоду

Всі тіла в природі складаються з молекул. Молекули перебувають у безперервному хаотичному русі та об'єднані силами взаємного притягання. Подібно до інших рухомих тіл, молекули володіють кінетичною енергією (Е_к), а сила притягання між ними означає присутність запасу потенціальної енергії (Е_п). Сума кінетичної і потенціальної енергії молекул утворює внутрішню енергію тіла:

Е_в = Е_к + Е_п

Під час самопливного термодинамічного процесу внутрішня енергія може частково передаватися від одного тіла (групи тіл) до іншого тіла (групи тіл) уформі теплоти. Таким чином, передача теплоти є одним із способів переходу частини внутрішньої енергії від одного тіла до іншого. Особливістю цієї форми передачі енергії є те, що вона здійснюється за допомогою енергетичної взаємодії молекул, які беруть учать у процесі, без видимого руху тіл.

З точки зору молекулярно-кінетичної теоріїперехід теплоти – це передача молекулами одного тіла частини своєї кінетичної енергії іншому тілу.

Оскільки теплота – це частина внутрішньої енергії, яка передається в термодинамічному процесі, то прийнято говорити, що теплота підводиться або відводиться від тіла. Енергія, відведена у формі теплоти (відведена теплота), вважається від ' ємною, а підведена у формі теплоти (підведена теплота) –      додатною.

Згідно всього сказаного, сформулюємо таке визначення: кількість теплоти – це ступінь зміни внутрішньої енергії, яка перейшла від одного тіла до іншого внаслідок енергетичної взаємодії молекул без видимого руху самих тіл.

Передача частини внутрішньої енергії тіла, яка супроводжується видимим направленим рухом тіла, називається роботою. Наприклад, внутрішня енергія газоподібних речовин може змінюватися під час їхнього розширення з подоланням опору зовнішніх сил, а також внаслідок стискання під дією зовнішніх сил. При цьому змінюється взаємне розміщення молекул газу та характер їх руху.

 

Отже, передача теплоти і робота є різними формами передачі внутрішньої енергії під час термодинамічного процесу. Теплота і робота для певної кількості речовини вимірюється в джоулях (Дж, кДж).

Таким чином, поняття теплоти можна кількісно оцінити (Дж), а                           поняття холоду є умовним і застосовують в тому випадку, коли теплота відводиться від одного тіла до іншого або в навколишнє середовище.

1.2 Поняття "робоче тіло" та параметри, які характеризують його стан

Для роботи холодильної машини необхідно мати робоче тіло – речовину, яка здатна приймати та віддавати теплоту, змінюючи при цьому свій стан. Як робочі тіла використовують переважно рідини з низькою температурою кипіння і порівняно невисоким значенням тиску пари.

Стан речовини характеризується певними значеннями різних фізичних величин, які називаються параметрами стану. Основні параметри стану такі:

- температура  Т, К

- тиск р, Па

- питомий об'єм υ, м³/кг

Температура – це параметр теплового стану, значення якого визначається середньою кінетичною енергією молекул даного тіла. Поняття температури є статистичним і стосується лише тих тіл, які складаються з великої кількості молекул.

Оскільки фізичного еталону температури не існує, температурна шкала представлена набором декількох фіксованих температур – так званих реперних точок. Реперними точками прийнято температури фазових переходів: "замерзання"-"плавлення" і "кипіння"-"конденсація".

Для оцінки величини температури широко використовується стоградусна температурна шкала Цельсія (1742 р.). Один градус даної шкали дорівнює 1/100 температурного інтервалу між температурою плавлення водяного льоду (0 ^оС) і температурою кипіння води (100 ^оС).

В зарубіжній технічній літературі зустрічаються також температурні шкали Фаренгейта (^оF) та Ренкіна (^оRa), які пов'язані між собою та шкалою Цельсія так:

В середині XIX ст. У. Томсон (Кельвін) обґрунтував існування абсолютної термодинаміч­ної шкали температури. За одиницю було прийнято К (Кельвін). Згідно даної шкали, 1 К = 1 ^оС, проте точки відліку шкал відрізняються:

Тиск рідини або газу – це сила F, яка діє на одиницю поверхні тіла S у напрямку, перпендикулярному цій поверхні:

де   р – тиск, Па; F – сила, Н; S – площа поверхні, м².

В системі СІ тиск вимірюється в паскалях (1Па = 1Н/м²). На практиці використовується мегапаскаль (1МПа = 10⁶ Па) та позасистемні одиниці – технічна атмосфера (ат), бар, кг/см².

Залежно від початкового тиску розрізняють декілька систем відліку.

Тиск, який вимірюють від абсолютного вакууму, називають абсолютним р_а.

Тиск, представлений як різниця між абсолютним (р_а) і барометричним (р_б), називається надлишковим р_н

Тиск, нижчий барометричного називається вакууметричним р_в.

Питомий об ' єм – це об'єм речовини, віднесений до її маси. Питомий об'єм вимірюється в м³/кг.

Параметри стану пов ' язані між собою залежністю:

f (р, υ, T) = 0

З даного рівняння випливає:

- можливо визначити фізичний стан тіла, якщо відомі величини, які характеризують його стан;

- якщо для даного тіла відомі два параметри стану, то можна розрахувати і третій.

Якщо робоче тіло змінює свій стан і його параметри набувають інших значень, то змінюється і величина внутрішньої енергії. Таким чином, внутрішня енергія також є параметром стану.

Процес зміни стану робочого тіла називається термодинамічним процесом.

Процеси бувають рівноважні та нерівноважні. Після протікання рівноважного процесу в одному напрямку, його можна провести в протилежний і повернути тіло в початковий стан, тому рівноважні процеси є оборотними. Після протікання нерівноважних процесів тіло не повертається в початковий стан, оскільки в реальних умовах існує значна різниця тиску і температур між зовнішнім середовищем і тілом, тому реальні нерівноважні процеси є необоротними.