Физика и холод
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Вам не приходило в голову, что от посыпания снега солью (давно осужденный обычай нерадивых дворников) не только портится обувь, но и становится несколько холоднее на улице? Между тем это именно так — во всяком случае, теоретически. Нам сейчас придется вспомнить некоторые основные понятия физики, того раздела, который называется термодинамикой. Итак, имеется два тела или вещества, соприкасающихся между собой и имеющих разную температуру. Если предоставить ход дела естественному порядку, через некоторое время температуры этих тел уравняются. Это произойдет благодаря теплопередаче, то есть отбору тепла, тепловой энергии от одного из этих тел и переходу его к другому. Таким образом, проявится один из самых общих законов нашего мира — закон неубывания энтропии (еще одно основополагающее понятие).
В общем, теплое станет холоднее, а холодное — теплее. Обычный житейский опыт с давних времен познакомил людей с этим явлением, и еще до того, как появились какие-либо физические объяснения, люди научились это использовать для своих практических целей. Прежде всего, для охлаждения и хранения в охлажденном виде пищевых продуктов. Или, выражаясь современным техническим языком, для производства искусственного холода.
Напомним себе: чтобы охладить тело, нужно передать его тепло другому телу. Но чтобы другое тело было в состоянии воспринять как можно больше тепла, в нем должен происходить процесс, требующий интенсивного подвода тепловой энергии. Один из наиболее естественных таких процессов, идущих при достаточно низкой температуре — ноль градусов,— таяние льда. Таким образом, если, например, обложить мясо кусками льда, в таком «холодильнике», пока весь лед не растает, можно поддерживать 0°. Но если мясо надо хранить долго, а температура окружающего воздуха высока, желательно, чтобы температура охлаждения была пониже. Обнаружилось: смешивание дробленого льда с обычной поваренной солью снижает температуру таяния льда до —20°. Так появилось ледосоляное охлаждение, довольно широко применяющееся до нашего времени.
Теперь понятно, что, посыпая обледеневшие дорожки солью, мы теоретически превращаем наши города в холодильники? Теоретически — поскольку в атмосфере идет непрерывный теплообмен и мы не успеваем почувствовать, что воздух над соленым снегом охладился, приходящие потоки быстро нагревают его. Но все-таки…
Что же касается искусственного холода, то суть дела теперь нам тоже ясна. Принцип общий, со временем менялись только способы его осуществления. Появился сухой лед, твердая углекислота, которая не тает, а сразу кипит, сублимирует. Происходит это — при нормальном давлении — при очень низкой температуре: минус 78,9°. И мало того. Если один килограмм обычного льда, полностью растаяв, поглотит около 80 килокалорий, то килограмм сухого льда — 152 килокалории. Говоря терминами, более высокая холодопроизводительность.
А дальше пошло… Добиваясь все более высокой холодопроизводительности и более низких температур, обратились к низкокипящим жидкостям — жидкому аммиаку и фреонам. О жидкостях этих, называемых холодильными агентами, можно говорить особо.
Но мы пока обратим внимание только на то, что жидкость, выкипев и целиком обратившись в пар, охлаждение на этом закончит. Таким образом, возникает необходимость в обратном процессе: конденсации паров, превращении их снова в жидкость для продолжения охлаждения.
С этого момента можно говорить о появлении и развитии холодильной техники. Холодильный агент кипит в испарителе, испаритель — в принципе это просто змеевик — охлаждается и охлаждает окружающее пространство. С этим все ясно. Но как теперь снова превратить пары в жидкость? Раньше всего для этой цели стали использовать способность водоаммиачного раствора поглощать пары аммиака, и появились абсорбционные холодильные машины, в основе конструкции которых лежит это свойство.
В этих машинах аммиак, поглощенный раствором, затем снова выделяют, подогревая раствор до кипения. А потом цикл продолжается: конденсация аммиака, испарение, поглощение (абсорбция) и так далее…
Но вскоре появились машины, в которых химические насосы заменили механическими — компрессорами. С их помощью пары холодильного агента не только засасываются из испарителя, но и сжимаются. Затем они превращаются в жидкость в конденсаторе, а после этого в специальном дроссельном вентиле давление холодильного агента снова понижается, и он, попав в испаритель, начинает все сначала… Таков холодильный цикл в компрессионной машине.
Можно было бы сказать и о других способах производства искусственного холода вплоть до термопар и турбохолодильных машин. Но пока мы ограничимся абсорбционными и компрессионными — это самые распространенные конструкции, именно они вырабатывают девять десятых всего искусственного холода в мире и, видимо, будут вырабатывать в ближайшем будущем.
Автор: А. Кабаков.