Фазовый переход.

Любое вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При определенных условиях возможно одновременное состояние вещества сразу в нескольких фазах. Например, в жидкой и газообразной, газообразной и твердой, твердой и жидкой фазах. В тройной точке вещество может находиться сразу в трех фазах.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовая диаграмма для чистых веществ показана на рисунке 2

Рисунок 1 - Термодинамическая диаграмма состояния вещества.

На диаграмме кривая I обозначает равновесие пар-жидкость (кипение-конденсация), кривая II – равновесие жидкость - твердое вещество плавление - кристаллизация), III - равновесие твердое тело-пар (сублимация - десублимация), точка А – тройная точка.

Фазовые переходы сопровождаются процессами выделения или поглощения теплоты без изменения температуры рабочего вещества. В этом случае выделяемая или поглощаемая теплота фазового перехода расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. При выделении теплоты происходит нагрев какого-либо тела, помещенного в рабочее вещество. При поглощении теплоты, наоборот, от тела отнимается теплота и происходит его охлаждение.

К фазовым переходам с выделением теплоты относятся кристаллизация, конденсация, десублимация и др. Такие процессы в холодильной технике для получения низких температур не применяются.

Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются фазовые переходы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К ним относятся плавление, кипение, испарение и сублимация.

1. Охлаждение за счет фазовых превращений. При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение агрегатного состояния - превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты - из жидкости в твердое тело). Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна 0°С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления r.

для водного льда r=335 кДж/кг

Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду, определяют по формуле:

Q=Mr

Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре.

На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой с использованием природного холода водного льда или с помощью замороженной в ледогенераторах с использованием холодильных машин воды.

При плавлении чистого водного льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до О °С. Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависят от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22, 4 % хлористого натрия температура плавления льдосоляной смеси равна -21, 2°С, а скрытая теплота плавления составляет 236, 1 кДж/кг.

Применяя в смеси хлористый кальций (29, 9%), можно понизить температуру плавления смеси до -55°С, в этом случае

r = 214 кДж/кг.

Сублимация - переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии широко используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре -78, 9 °С. Удельная теплота сублимации t = 571 кДж/кг.

Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит при сушке белья зимой. Этот процесс лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.

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. В холодильной технике этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху.
При атмосферном давлении и температуре 0 °С скрытая теплота испарения воды г=2509 кДж/кг, при температуре 100°С г=2257 кДж/кг.

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 называют холодильным агентом (сокращенно - хладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества, - испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q,.подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

Q=Mr

где М - масса жидкости, превратившейся в пар. Кипение однородного (" чистого") вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара.

2. Дросселирование (эффект Джоуля - Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, 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. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.