Современная жизнь немыслима без искусственного холода. Морские суда-рефрижераторы месяцами хранят улов в океане, специальные железнодорожные вагоны и автомобили доставляют свежие продукты по всей стране, а бытовые холодильники стали неотъемлемой частью наших домов. Однако область применения холода гораздо шире, чем просто хранение пищи. В промышленности его используют для термической обработки металлов, в строительстве — для заморозки грунта при прокладке тоннелей. Низкие температуры незаменимы в медицине для хранения препаратов, в биологии и химии для проведения сложных реакций.
Физические принципы создания холода
Основу работы холодильных машин составляют фундаментальные законы физики. Холод «создается» за счет процесса кипения жидкости, что на первый взгляд кажется парадоксом. Чтобы заставить жидкость кипеть, к ней необходимо подвести тепло. Но, отнимая тепло у одного тела (охлаждая его), мы передаем его другому. Это первый ключевой принцип. Второй принцип заключается в зависимости температуры кипения от давления: чем ниже давление, тем при более низкой температуре жидкость закипает. Именно на этом основана работа холодильников.
Устройство парокомпрессионной холодильной машины
В качестве рабочего тела (хладагента) используются легкокипящие жидкости, например, аммиак. Он циркулирует в замкнутой системе, состоящей из четырех основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и дроссельного вентиля. Испаритель расположен внутри охлаждаемой камеры. Компрессор создает в нем низкое давление, заставляя хладагент кипеть и активно поглощать тепло из камеры. Образовавшийся пар откачивается компрессором, сжимается и нагревается. Затем горячий пар попадает в конденсатор, где, охлаждаясь окружающим воздухом, снова превращается в жидкость. Проходя через узкое отверстие дроссельного вентиля, жидкость резко расширяется, давление падает, и цикл повторяется: она снова поступает в испаритель для кипения и поглощения тепла.
В зависимости от конструкции и назначения, холодильные машины позволяют достигать различных температур: от 0° до -6°C в бытовых приборах, до -18°C в морозильных камерах и до -40°C и ниже в промышленных установках.
Другие типы холодильных машин и криогенная техника
Помимо парокомпрессионных, существуют эжекторные и абсорбционные холодильные машины. Они отличаются способом создания низкого давления в испарителе (с помощью эжектора или процесса поглощения пара жидкостью), но общий принцип получения холода за счет кипения жидкости остается неизменным.
Криогенная техника занимается получением и использованием сверхнизких температур (ниже 120 К или -153°C). Для этого применяются сжиженные газы с крайне низкой температурой кипения: кислород (-183°C), азот (-196°C), водород (-253°C). Наилучшим хладагентом является жидкий гелий, кипящий при -269°C, всего в 4 градусах от абсолютного нуля.
Методы сжижения газов
Превращение газа в жидкость — ключевая задача криогеники. Один из распространенных методов — дросселирование: сжатый и предварительно охлажденный газ резко расширяется через вентиль, что приводит к его охлаждению и конденсации. Однако для таких газов, как водород или гелий, этот метод не подходит, так как при дросселировании они нагреваются. Для их сжижения используют детандеры — машины, в которых газ, расширяясь, совершает механическую работу (например, вращает турбину), теряя при этом энергию и остывая. Турбинный детандер, изобретенный советским академиком П.Л. Капицей, стал прорывом в промышленном получении сжиженных газов.
Для хранения и транспортировки этих уникальных веществ используются специальные сосуды Дьюара с двойными вакуумированными стенками, обеспечивающими мощную теплоизоляцию.
Удивительные свойства веществ при сверхнизких температурах
Глубокое охлаждение открывает поразительные свойства материалов. При температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые металлы и сплавы переходят в состояние сверхпроводимости, то есть их электрическое сопротивление практически исчезает. Это явление позволяет создавать компактные и высокоэффективные электрогенераторы, магниты и системы передачи энергии без потерь. Кроме того, как показали исследования, в условиях космического холода могут успешно протекать сложные химические реакции, включая синтез органических молекул, что расширяет наши представления о возможностях химии и биологии.