Фізика і холод

Вам не приходило в голову, що від посипання снігу сіллю (давно засуджений звичай недбайливих двірників) не тільки псується взуття, але і стає трохи холодніше на вулиці? Тим часом це саме так – у всякому разі, теоретично. Нам зараз доведеться згадати деякі основні поняття фізики, того розділу, який називається термодинамікою. Отже, є два тіла або речовини, що стикаються між собою і мають різну температуру. Якщо надати хід справи природному порядку, через деякий час температури цих тіл зрівняються. Це станеться завдяки теплопередачі, тобто відбору тепла, теплової енергії від одного з цих тіл і переходу його до іншого. Таким чином, проявиться один з найзагальніших законів нашого світу — закон невбивання ентропії (ще одне основоположне поняття).

Загалом, тепле стане холодніше, а холодне — тепліше. Звичайний життєвий досвід з давніх часів познайомив людей з цим явищем, і ще до того, як з’явилися які-небудь фізичні пояснення, люди навчилися використовувати для своїх практичних цілей. Перш за все, для охолодження і зберігання в охолодженому вигляді харчових продуктів. Або, висловлюючись сучасною технічною мовою, для виробництва штучного холоду.

Нагадаємо собі: щоб охолодити тіло, потрібно передати його тепло іншому тілу. Але щоб інше тіло було в змозі сприйняти як можна більше тепла, в ньому повинен відбуватися процес, що вимагає інтенсивного підведення теплової енергії. Один з найбільш природних таких процесів, що йдуть при досить низькій температурі – нуль градусів, – танення льоду. Таким чином, якщо, наприклад, обкласти м’ясо шматками льоду, в такому «холодильнику», поки весь лід не розтане, можна підтримувати 0°. Але якщо м’ясо треба зберігати довго, а температура навколишнього повітря висока, бажано, щоб температура охолодження була нижче. Виявилося: змішування дробленого льоду зі звичайною кухонною сіллю знижує температуру танення льоду до -20°. Так з’явилося льодосоляне охолодження, яке досить широко застосовується до нашого часу.

Тепер зрозуміло, що, посипаючи обмерзлі доріжки сіллю, ми теоретично перетворюємо міста в холодильники? Теоретично — оскільки в атмосфері йде безперервний теплообмін і ми не встигаємо відчути, що повітря над солоним снігом остудилося, що потоки швидко нагрівають його. Але все-таки…

Що ж стосується штучного холоду, то суть справи тепер нам теж зрозуміла. Принцип загальний, з часом змінювалися тільки способи його здійснення. З’явився сухий лід, тверда вуглекислота, яка не тане, а відразу кипить, сублімує. Відбувається це при нормальному тиску — при дуже низькій температурі мінус 78,9°. І мало того. Якщо один кілограм звичайного льоду, повністю розтанувши, поглине близько 80 кілокалорій, то кілограм сухого льоду — 152 кілокалорії. Говорячи термінами, більш висока холодопродуктивність.

А далі пішло… Домагаючись все більш високої холодопродуктивності і більш низьких температур, звернулися до низькокиплячих рідин — рідкого аміаку і фреонам. Про рідини ці, звані холодильними агентами, можна говорити особливо.

Але ми поки звернемо увагу тільки на те, що рідина, википівши і цілком звернувшись в пар, охолодження на цьому закінчить. Таким чином, виникає необхідність у зворотному процесі конденсації парів, перетворенні їх знову в рідину для продовження охолодження.

З цього моменту можна говорити про появу і розвиток холодильної техніки. Холодильний агент кипить у випарнику, випарник — в принципі це просто змійовик — охолоджується і охолоджує навколишній простір. З цим все ясно. Але як тепер знову перетворити пари в рідину? Раніше за все для цієї мети стали використовувати здатність водоаміачного розчину поглинати пари аміаку, і з’явилися абсорбційні холодильні машини, в основі конструкції яких лежить ця властивість.

У цих машинах аміак, поглинений розчином, потім знову виділяють, підігріваючи розчин до кипіння. А потім цикл триває: конденсація аміаку, випаровування, поглинання (абсорбція) і так далі…

Але незабаром з’явилися машини, в яких хімічні насоси замінили механічними — компресорами. З їх допомогою пари холодильного агента не тільки засмоктуються з випарника, але і стискаються. Потім вони перетворюються в рідину в конденсаторі, а після цього в спеціальному дросельному вентилі тиск холодильного агента знову знижується, і він, потрапивши у випарник, починає все спочатку… Такий холодильний цикл в компресійній машині.

Можна було б сказати і про інші способи виробництва штучного холоду аж до термопар і турбохолодильних машин. Але поки ми обмежимося абсорбційними і компресійними — це найпоширеніші конструкції, саме вони виробляють дев’ять десятих усього штучного холоду в світі і, мабуть, будуть виробляти в найближчому майбутньому.

Автор: А. Кабаков.