Охлаждение при испарении (формула)

Охлаждение при испарении работа холодильника

При испарении вследствие ухода молекул, обладающих высокой кинетической энергией, средняя энергия молекул оставшейся жидкости снижается, соответственно снижается и температура жидкости, т. е. испарение вызывает охлаждение жидкости. При этом падает интенсивность испарения. Чтобы поддерживать испарение, надо сообщать жидкости теплоту.

Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при той же температуре (обычно ее относят к температуре кипения), называется удельной теплотой испарения. В системе СИ она измеряется в джоулях на килограмм (дж/кг), допускается также ее измерение в калориях на грамм (кал/г).

Количество теплоты Q, затрачиваемое на испарение массы т жидкости при постоянной температуре, равняется произведению массы т на удельную теплоту к испарения:

Q = mλ.

При конденсации пара соответствующее количество теплоты выделяется. При повышении температуры ослабляются силы взаимодействия между молекулами и работа выхода молекул уменьшается. Соответственно снижается и удельная теплота испарения.

Удельная температура испарения некоторых веществ

Зависимость удельной теплоты испарения воды от температуры представлена в таблице.

t° C		0	20	37	50	100	150	200	300
λ	дж/кг	2.5	2.45	2.42	2.37	2.26	2.11	2.0	1.38
	кал/г	597	585	580	568	539	506	468	330

Удельная теплота испарения при температуре кипения для некоторых жидкостей приведена в таблице.

Жидкость	Удельная теплота испарения		Температура кипения в °С
	дж/кг	кал/г
Этиловый спирт	8,61•105	205	78
Этиловый эфир	3,57•105	85	35
Хлороформ	2,44•105	58	61,5
Хлорэтил	3,91•105	93,2	12,2
Ртуть	2,86•105	68	357
Аммиак	1,35•106	322	-10

Скорость испарения характеризуется массой жидкости, испаряющейся за единицу времени с единицы поверхности жидкости. В системе СИ она измеряется в кг/(сек-м²).

Скорость испарения зависит прежде всего от природы жидкости, а также от ее температуры. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия молекул и ослабляются силы взаимодействия, препятствующие удалению молекул. Скорость испарения зависит также от степени насыщения пара, образующегося над жидкостью, и по мере накопления пара замедляется. Для ускорения необходимо удалять образующийся пар. Это объясняет, например, почему ветер ускоряет испарение в природных условиях.

Быстро испаряющиеся жидкости (аммиак, этиловый эфир, хлористый этил и др.) называются летучими. При испарении таких жидкостей можно достигнуть температур ниже 0° С. В связи с этим, например, хлористый этил (С₂Н₅Сl) применяют в малой хирургии для местного обезболивания путем поверхностного замораживания тканей. Для этого струя жидкости из ампулы направляется на подлежащую обезболиванию поверхность тела и, быстро испаряясь, вызывает легкое замораживание близлежащих тканей.

Где применяют охлаждение при испарении

Охлаждение при испарении летучих жидкостей используется при устройстве циркуляционных холодильников — приборов для получения умеренно низких температур, которые широко используются в медицинской и санитарной практике для получения льда, хранения пищевых продуктов и т. п.

Холодильный агрегат состоит из замкнутой системы трубок, содержащей испаритель Я, компрессор М и конденсатор К. 

Испаритель И состоит из металлической коробки, в стенках которой устроена система трубок. В трубках происходит испарение рабочей жидкости (фреон CCl₂F₂ или друе вещества), поступающей через капиллярный клапан Т. При работе компрессора в трубках испарителя создается разрежение и поступающая в него жидкость испаряется. Температура стенок испарителя снижается до 8— 10°С ниже нуля. Образовавшийся в трубках испарителя пар засасывается в цилиндр компрессора и сжимается до давления в несколько атмосфер.

При этом пар нагревается до температуры 30—40 С. Сжатый пар поступает в конденсатор К, который состоит из длинной трубки, укрепленной зигзагами в металлическом листе, расположенном снаружи на задней стенке холодильника. Проходя по трубке, сжатый пар постепенно охлаждается до температуры окружающей среды (20—25°С) и сжижается. Жидкость вновь поступает в испаритель, и рабочий цикл холодильника повторяется.

Таким образом, теплота, поглощенная изнутри шкафа при испарении рабочей жидкости, переходит вместе с паром (в форме потенциальной энергии его частиц) наружу и там выделяется в окружающую среду при охлаждении и сжижении пара в конденсаторе. Процесс переноса теплоты, связанный с циклом изменения состояния рабочей жидкости (испарение — конденсация), поддерживается с помощью компрессора, на работу которого затрачивается энергия, потребляемая из сети мотором компрессора.

Поршневой компрессор (рис. 2) состоит из цилиндра с двумя клапанами и поршнем П, который приводится в движение электромотором Э. При движении поршня (по схеме вниз) открывается впускной клапан K₁ и в цилиндр засасывается пар из испарителя. При движении поршня вверх сначала оба клапана закрыты и пар сжимается до необходимого давления.

Статья на тему Охлаждение при испарении