Месяцами бороздят просторы океанов суда, добывающие рыбу. Но где и как удается морякам хранить рыбу все это время? В судах-рефрижераторах — плавающих холодильниках. По железным дорогам курсируют поезда-рефрижераторы, по городским и автомобильным магистралям улицам — авторефрижераторы. Свежие продукты, доставленные ими на склады, в столовые и магазины, также сохраняются в холодильниках. И в отечественных квартирах продукты сохраняются в холодильниках.
Но мороз нужен не только для хранения продуктов. На фабриках его используют для закалки стали (см. Термическая обработка металлов), в строительных работах — для замораживания грунтов, дабы избежать тоннелей и затопления шахт. медики и Биологи хранят при низкой температуре разные препараты, химики выполняют последовательность химических реакций.
Как «создать» мороз? Оказывается, посредством кипящей жидкости. И это не парадокс, а законы физики.
Дабы вынудить кипеть жидкость, нужно нагреть ее, т. е. подвести к ней теплоту. Но передать одному телу теплоту, — значит, забрать ее у другого, охладить его. Это первый ответственный принцип, что оказывает помощь создавать мороз. И все-таки от него было бы мало проку, если бы не второй принцип.
Любая жидкость кипит при определенной температуре, к примеру вода при + 100°С. Но лишь в том случае, если давление равняется атмосферному. В случае, если же понизить давление, вода закипит и при меньшей температуре. На этом ответственном свойстве жидкостей основан второй принцип работы холодильника.
Для получения в нем холода берут летучие жидкости, каковые кипят при низких температурах, к примеру жидкий аммиак. Он кипит кроме того при температурах ниже 0°С. Конкретно сжиженные газы и используют в холодильниках, правильнее, в парокомпрессионных холодильных автомобилях.
Поведаем об устройстве таковой автомобили. Сжиженный газ — его именуют еще холодильным агентом — циркулирует в герметичной замкнутой совокупности, складывающейся из четырех главных узлов: испарителя, компрессора, дроссельного вентиля и конденсатора. Испаритель размещен прямо в холодильной камере, а остальные узлы — снаружи. Благодаря работе компрессора в испарителе создается жидкость и низкое давление в нем начинает кипеть, отнимая тепло из камеры. Часть жидкости преобразовывается в пар, что непрерывно отсасывается компрессором. Пройдя через компрессор, пар сжимается и нагревается наряду с этим до температуры выше экологии, к примеру воздуха в помещении. Это необходимо чтобы, поступая в конденсатор, пар охлаждался и преобразовывался опять в жидкость, конденсировался. После этого жидкость пропускается через узкое отверстие в дроссельном вентиле. Давление наряду с этим быстро падает, и жидкость опять начинает кипеть в испарителе, поглощая тепло из холодильной камеры.
Температура кипящей жидкости в испарителе домашнего холодильника не редкость от —15° до —20°С и ниже. Именно поэтому в камере простого холодильника возможно поддерживать температуру от 0° до —6°С, в камере холодильника долгого хранения до — 18°С. А в громадных промышленных холодильниках до —40°С и ниже.
Существуют и другие типы холодильных автомобилей, к примеру эжекторные и поглощательные. От парокомпрессионных они отличаются методами поддержания низкого давление в испарителе. В эжекторных холодильниках для откачки паров из испарителя применен эжектор — что-то наподобие реактивного сопла. В поглощательной машине пары из испарителя отводятся методом поглощения их жидкостью в особом аппарате — абсорбере. (Абсорбцией именуют процесс поглощения веществ из газовой смеси жидкостями.) Но фундаментальный принцип работы у этих холодильных автомобилей один — мороз создается посредством кипящей жидкости. Данный же принцип употребляется и для более низких температур, т. е. температур ниже 120 К.
использования и Техника получения низких температур именуется криогенной. Взять сверхнизкие температуры оказывают помощь такие сжиженные газы, как кислород, что испаряется при —183°С (90 К), азот — при —196°С (77 К) либо водород — при —253°С (20 К). Наилучший холодильный агент — жидкий гелий, что кипит под атмосферным давлением при —269°С(4 К).
Сейчас разглядим методы сжижения газа, т. е. превращения его в жидкость.
Один из способов глубокого охлаждения — дросселирование, стремительное охлаждение сжатого газа посредством дроссельного вентиля. Газ сжимают компрессором, позже охлаждают до температуры воздуха, к примеру в теплообменнике, а после этого расширяют, пропуская через дроссельный вентиль. При резком расширении молекулы газа преодолевают силы обоюдного сцепления, их тепловое перемещение замедляется, газ охлаждается и переходит в жидкое состояние.
Данный метод годится не для всех газов. Кое-какие из них, к примеру, водород либо гелий, при расширении через дроссельный вентиль, напротив, нагреваются. Дабы не разрешить газу нагреваться, необходимо при расширении вынудить его выполнять работу скажем, в поршневом двигателе либо турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень либо лопатки турбины, отдают им собственную энергию, перемещение их замедляется, и газ остывает.
Расширительные автомобили для того чтобы типа именуют детандерами, с их помощью осуществляется один из серьёзных промышленных способов сжижения газов. Особенно активно используется турбинный детандер, предложенный в 1939 г. советским физиком академиком П. Л. Капицей.
Схема его работы такова. Газ, сжатый в компрессоре приблизительно до 1 МПа, охлаждается в теплообменнике. Часть его из теплообменника попадает на лопатки вращающегося турбодетандера и делает работу, вращая турбину. Еще более охладившись, газ поступает в конденсатор, где сам охлаждает и превращает в жидкость другую часть газа из теплообменника. Через дроссельный вентиль сжиженный газ направляется в нижнюю часть конденсатора, давление в котором уже 0,1 МПа. Тут и накапливается жидкость, готовая к потреблению.
Хранят и перевозят сжиженный газ в так называемых сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми для лучшей теплоизоляции создается вакуум.
Способы глубокого охлаждения разрешают открыть довольно много увлекательных особенностей веществ. При температурах, родных к полному нулю (0 К либо —273°С), электрическое сопротивление некоторых металлов делается вечно малым, и ток течет в них фактически без утрат. Это явление именуют сверхпроводимостью. Применяя сверхпроводимость, к примеру, в замечательных электрических генераторах, возможно многократно снизить их потери и размеры электричества. Как нашли совсем сравнительно не так давно советские ученые, в условиях глубокого холода, кроме того космического, достаточно удачно идут кое-какие реакции, среди них и синтез сложных органических молекул.