Фазовые превращения вещества

Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:

1. C помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты, чаще всего при изменении его агрегатного состояния;

2. C помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок, которые составляют специализированную область техники, называемую холодильной техникой.

Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением. Фазовые превращения физические процессы, которые не сопровождаются химическими изменениями вещества. Они происходят при подводе или отводе теплоты, которая расходуется на изменение связей между молекулами. Фазовые переходы однородных тел происходят при постоянной температуре, зависящей от условий перехода и физических свойств вещества. При фазовых превращениях некоторые вещества поглощают значительное количество теплоты, что позволяет их использовать для охлаждения. К процессам изменения фазового состояния относятся: плавление; отвердевание; кипение; конденсация и сублимация.

Плавление – это переход твердого тела в жидкое состояние. Процесс происходит только при подводе теплоты. При достижении температуры плавления тело переходит в жидкое состояние. Дальнейшего повышения температуры вещества не происходит, а подводимая теплота тратится на изменение состояния вещества.

Отвердевание – это переход тела из жидкого состояния в твердое. Процесс происходит при постоянной температуре и отводе теплоты. Температура называется температурой отвердевания (замерзания).

Рис. 2. В диаграмме p - t: I – твердая фаза; II – жидкая фаза; III – газообразная фаза.

На линиях: АВ – вещество находится в твердом и газообразном состоянии; АД – в жидком и газообразном; АС – в твердо и жидком.

Точка А – тройная точка, в которой вещество находиться сразу в трех состояниях.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1кг твердого вещества в жидкость называется скрытой теплотой плавления Q, которую определяют по формуле:

Q=Mr,

где M - масса вещества, кг; r - скрытая теплота плавления, кДж/кг.

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 водяного льда или искусственно замороженной воды с использование льдогнераторов. При плавлении водного льда температуру охлаждения можно понизить до 0°С. Для получения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависит от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22,4% хлористого натрия (NaCl), температура плавления смеси равна –21,2°С, а r=236,1 кДж/кг. Применяя в смеси хлористый кальций (CaCl) в количестве 29,9% - температура плавления смеси составляет –55°С, а кДж/кг.

Парообразование и конденсация

Жидкость превращается в пар (газ) при испарении и кипении. Эти процессы объединяются одним названием «парообразование», но между этими процессами существует разница.

Испарение происходит со свободной поверхности любой жидкости постоянно. Физическая природа испарения – вылет с поверхности молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения. Жидкость при этом охлаждается. В промышленности этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды.

Кипение (как и испарение) – переход вещества в парообразное состояние, но оно происходит по всему объему жидкости и только при подведении к жидкости теплоты. При дальнейшем нагревании температура жидкости остается постоянной, а жидкость продолжает кипеть.

Температура кипения зависит от давления пара над жидкостью, с понижением давления температура кипения снижается и наоборот. Снижая давление пара над жидкостью, можно снизить температуру кипения жидкости до точки ее замерзания, а выбирая вещества с нужными свойствами можно получить практически любую низкую температуру.

Количество теплоты необходимое для перехода 1кг жидкости в парообразное состояние называют удельной теплотой парообразования r, кДж/кг.

Температура, при которой происходит испарение, называется температурой насыщения. Пар может быть влажным и сухим (без капель жидкости). Пар может быть перегретым и иметь температуру перегрева выше температуры насыщения.

Эти процессы используются в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящей жидкостью является хладагент, а аппарат, в котором он кипит, забирая тепло от охлаждаемого вещества – испарителем. Количество теплоты, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

Q=Mr

где M - масса жидкости превращающейся в пар; r - теплота парообразования.

Температура кипения жидкости зависит от давления. Эта зависимость изображается кривой упругости насыщения пара.

Для наиболее распространенного в холодильной промышленности хладагента – аммиака, такая кривая приведена на рис. 3, из которого видно, что при давлении равном атмосферному (0,1МПа) соответствует температура кипения аммиака -30°С, а при 1,2Мпа - +30°С.

Превращение насыщенного пара в жидкость называется конденсацией, которая происходит при температуре конденсации, зависящей также от давления. Температура конденсации и кипения при определенном давлении однородного вещества одинаковы. Этот эффект используется в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации воздуху.

Сублимация

Вещество может переходить из твердого состояния непосредственно в пар. Этот процесс называется сублимацией. Поглощаемая из окружающего воздуха теплота, расходуется на преодоление сил сцепления молекул и влияния внешнего давления, препятствующего этому процессу.

В обычных условиях сублимируют не многие вещества – твердый диоксид углерода (сухой лед), йод, камфара и др.

Для охлаждения и получения низких температур применяют сухой лед, обеспечивающий при атмосферном давлении температуру -78,3°С, а понижая давление можно достичь -100°С.