Lektsii_Lavrova_NOK (1) (Все лекции ), страница 3

Иллюстрация первого начала термодинамики напримере ХМ. = + На иллюстрации ХМ для переноса теплоты (отвода теплоты) с болеенизкого температурного уровня ТХ на более высокий температурныйуровень ТТ.Холодильная машина работает по замкнутому циклу : изменениеэнергии за цикл равно нулю, поэтому для переноса теплоты с болеевысокого температурного уровня на низки уровень, то есть противестественного хода теплоты ( от источника с высокой температурой ктелу с низкой температурой) необходимо совершить внешнюю работу.Это является логическим следствием первого закона термодинамикии позволяет ввести величину энтропии, изменение которой можетбыть связано с изотермическим отводом и подводом теплоты.Функция состояния, определяющая меру «неупорядоченности» :≤ ДжкгДж≤ кг ∙ КВторое начало термодинамикиНельзя перенести теплоту с более низкого на более высокийтемпературный уровень, не совершив внешней работы.Третье начало термодинамики(закон Нернста)Связывает понятия нуля энтропии с абсолютным нулём температуры.Общеупотребимые термодинамические функции, такие каквнутренняя энергия, энтальпия, энергия Гиббса и Гельмгольцаявляются не абсолютными величинами, а относительными.Их абсолютная величина в разных справочных диаграммах итаблицах могут быть различны, но разность этих величин дляфиксированных параметров везде одинаковы.Теорема Нернста позволяет абсолютизировать величину энтропии вотличии от других функций состояния.

Формулировка третьего законатермодинамики может быть следующей: энтропия любой равновеснойсистемы по мере приближения температуры к абсолютному нулюперестаёт зависеть от каких-либо параметров и стремиться копределённому пределу.Лекция №5Основные процессы, сопровождающиесяпонижением температуры.1) Использование естественного холода (240 К – 300 К) – холодатолщи почвы, холодной воды, льда, запасённого зимой илиперевезённого с горных местностей;2) Дросселирование (0,7 К – 300 К) – адиабатное расширениегазов, паров и жидкостей, проходящих через гидравлическоесопротивление.

Осуществляется в открытой системе и являетсянеравновесным ( необратимым) процессом. Дросселированиеописывается уравнением h=const;В процессе дросселирования температура может какпонижаться, так и повышаться. Это зависит от начального иконечного давления, начальной температуры и рода газа.Используется в парокомпрессионных холодильных установках (холодильник бытовой) и ожижителях.Работа при дросселировании не совершается.3) Детандирование – адиабатное расширение газа или пара ссовершением внешней работы. В идеальном случае процессквазиравновесен и описывается условием S=constВ области умеренного холода используется в воздушныхтурбохолодильных установках.

В области низких температур –ожижение низкотемпературных газов, низкотемпературноеразделение газовой смеси, и также в рефрижераторныхустановках, предназначенных для отвода теплоты изнизкотемпературных камер.Процесс детандеров реализуется с использованием объёмных итурбодетандеров.4) Выхлоп – свободный выпуск сжатого газа из сосуда, являетсяадиабатным расширением с совершением внешней работыпротив окружающей среды в неравновесных условиях, в началепроцесса выхлоп идёт близко к изоэнтропному расширениюS=const.В областях умеренного холода 120 К -300 К используется редко.В областях низкого холода 0,7 К – 120 К используетсядостаточно широко. Пример: машина Гиффорда – Макмагона иожижитель Симона для получения жидкого гелия.5) Адиабатное расширение газа при его перетекании из одногообъёма в другой, т.е. процесс расширения при которомвнутренняя энергия остаётся постоянной.Не смотря на обязательное понижение температуры, процесструднореализуем и не используется на практике.6) Вихревое адиабатное расширение газа в специальныхвихревых трубах (Ранка-Хилша), где происходит разделениерасширенного газа на два потока, имеющие разныетемпературы.

Горячий поток выходит с периферии трубы, ахолодный из центра. Широко используется в области умеренногохолода и в отдельных установках в области низкого холода.7) Волновое расширение газа в специальных акустическихкриогенераторах, где энергия расширяющегося газа переходитв теплоту, либо электроэнергию: в результате возникновенияакустического колебания между «тёплой» и «холодной» частямиволнового криогенератора. Используется в отдельныхустановках умеренного и глубокого холода.8) Пульсационное расширение газа – осуществляется вспециальных установках ( пульсационных трубах) в которыхосуществляется пульсационное расширение газа при его впускеи выпуске из устройства. Используется в отдельных установкахглубокого и умеренного холода.9) Адиабатная откачка паров кипящей жидкости.

В результатеиспарения части жидкости происходит охлаждение оставшейсячасти. Используется в некоторых установках умеренного холодаи во многих установках глубокого холода для получениятемператур ниже равновесной температуры жидкости принормальном давлении.10) Барботаж – прохождение газовых пузырей через слой жидкости.В результате происходит испарение паров жидкости в газовыепузыри, температура жидкости и газа уменьшаются.Используется для охлаждения газов и жидкости в областиумеренного холода, и достаточно хорошо используется дляполучения пониженных температур жидкости в областиглубокого холода.11) Откачка паров твёрдой фазы (обычно кристаллы).Используется для получения температур, ниже тройной точкидля данного вещества и, иногда, используется для отдельныхустановок глубокого холода.12) Адиабатная десорбция газа с поверхности адсорбата.Используется в установках умеренного и глубокого холода (теплоиспользующие компрессорные машины)13) Адиабатное дегидрирование интерметаллических соединенийна основе редкоземельных металов (на основе лантана)14)15)16)17)18)19)20)Используется теплота десорбции водорода при его удалении изгидридообразующего соединения.

Используется в установкахумеренного и глубокого холода (гидридные компрессоры длясжатия водорода)Адиабатное сжатие смеси твёрдого и жидкого гелия-3 притемпературе менее 0,3 К. При этом происходит понижениетемпературы за счёт перехода гелия из жидкого в твёрдоесостояние ( эффект Померанчука)Смешение или растворение веществ в жидком, твёрдом илигазообразном состояниях, сопровождающееся понижениемтемпературы, что является следствием того, что теплоёмкостьсмеси больше суммы парциальных теплоёмкостей компонентовэтой смеси.

Используется в установках умеренного холода (водоаммиачные и бромисто-литиевые холодильные машины.В области сверхнизких температур при растворении жидкогогелия-3 в сверхтекучем гелии-4, что позволяет достигнутьтемператур порядка 0,001 К.Адиабатное размагничивание парамагнитных материалов,теплоёмкость которых зависит от величины внешнего магнитногополя. Используют соли или чистые кристаллы редкоземельныхметаллов (например гадолиния)Используется во всём диапазоне температур, но только дляотдельных установок.

Нет широкого применения.Адиабатное размагничивание ядер. Используется для получениясверхнизких температур порядка 10-8 К.Термоэлектрический эффект (возникновение разноститемператур при прохождении электрического тока на спаяхразнородных проводящих материалов (обычно полупроводников).Используется в установках умеренного холода.Возникновение разности температур в проводнике припрохождении через него электрического тока в магнитномполе.Редко используется в установках умеренного и глубокого холода ипочти не используется в области сверхнизкого холода.Возникновение разности температур при продавливаниисверхтекучего гелия через капилляры.

Используется вустановках сверхглубокого холода.1)2)3)4)Неиспользуемые способы понижения температурыПереход проводника из сверхпроводящего состояние в нормальное.Понижение температуры металла при растяжении материала.При разрядке электрических аккумуляторов.При разрядке электрических конденсаторов.Лекция №6.Теплообменные аппараты.Теплообменные аппараты – устройства для передачи теплоты отпотока к другим потокам или среде с которой происходит обментеплотой.Перенос теплоты осуществляется без отвода работы.Классифицируются по следующим признакам: По принципу работы Регенераторы – теплообменные аппараты в которых теплотав начале передается от потока к теплоёмкой массерегенератора (насадку), а затем от насадка к другому потоку.Теплота между потоками передаётся периодически, а ненепрерывно. Рекуператоры – теплота от одного потока передаётсядругому потоку или среде через теплопроводящую стенку.Процесс переноса теплоты непрерывен. По числу потоков Однопоточные Двухпоточные Трехпоточные и многопоточные По назначению По направлению движения потоков Прямоточные (потоки сонаправлены) Противоточные (потоки текут в противоположные стороны) Перекрестноточные (потоки скрещиваются под прямым углом) По агрегатному состоянию вещества Конденсаторы (один из потоков или среда конденсируется) Испарители ( один из потоков или среда испаряется) Конденсаторы-испарители (один поток испаряется –другойожижается) Обычные газовые или жидкостные По типу конструкцииРекуперативные теплообменные аппаратыЧаще всего используются трубные теплообменные аппараты (потокитекут в трубе)Основная терминология принятая в технике низкихтемператур:Поток, охлаждающийся в теплообменном аппарате («тёплый поток»)называется прямым потоком, нагревающийся («холодный поток») –обратным.Обычно прямой поток имеет высокое давление и течёт в трубномпространстве, а обратный поток имеет низкое давление и течёт вмежтрубном пространстве.Работа регенератора.Однопоточный регенератор.Цикл работы регенератора делится на 2 части:Прямое и обратное дутьё.При прямом дутье прямой поток проходит через холодную насадку иохлаждается.