Холодильные процессы обеспечивают непрерывное искусств, охлаждение различных веществ (тел) путем отвода от них теплоты. Естественное охлаждение с помощью холодной воды или воздуха позволяет охладить вещество до температуры охлаждающей среды и не требует подвода энергии. Охлаждение до более низких температур происходит в искусственных холодных средах, на создание которых расходуется механическая, тепловая или химическая энергия. Охлаждение до температур выше 120 К принято наз. умеренным, ниже – глубоким или криогенным.
Искусственные холодные среды. Для их получения необходим перенос теплоты с низкого на более высокий температурный уровень, которым, как правило, является температура окружающей среды. Этот перенос осуществляется с использованием т. наз. обратимых круговых термодинамических циклов, которые в промышленности обычно реализуются в холодильных установках. В последних холодная среда создается с помощью рабочих тел, наз. холодильными агентами или просто хладагентами (вода, NH3, пропан-пропиленовые смеси, хладоны, сжиженные газы - воздух, N₂, Н₂, Не и др.).
В лабораторной практике холодные среды получают, приготовляя т. наз. охлаждающие смеси- системы из двух или несколько твердых (либо твердых и жидких) веществ, при смешении которых вследствие поглощения теплоты при плавлении или растворении происходит понижение температуры. Наиболее употребительны смеси из льда и NaCl, твердого СО₂ и этанола (-77 °С) и др. Для достижения криогенных температур в лабораториях применяют сжиженные газы, напр. N₂.
Термодинамические основы получения холода. Согласно второму началу термодинамики, указанный выше перенос теплоты самопроизвольно не происходит, требуя затрат работы. В термодинамических процессах подвод или отвод теплоты q описывается через изменение энтропии dS системы: dq = TdS, где Т - температура. Отсюда следует, что при подводе к телу теплоты его энтропия возрастает, а при отводе теплоты - уменьшается. В непрерывных X. п. хладагент должен принять теплоту от охлаждаемого тела на нижнем температурном уровне, отдать теплоту на верх. уровне к.-л. теплоприемнику и вернуться в исходное состояние. Поэтому в установившемся процессе суммарная энтропия хладагента не изменяется (dS=0). Поскольку при передаче теплоты от охлаждаемого тела энтропия хладагента повышается, в любой холодильной установке должен проходить иной (компенсирующий) процесс, при котором энтропия хладагента уменьшается. В общем случае энтропия м. б. представлена как функция температуры и к.-л. другого параметра тела (напр., давление, фазовое состояние, степень намагниченности). Поэтому, если имеется изотермический или близкий к нему процесс, в котором наблюдается значит. изменение энтропии при изменении иного параметра, то подобный процесс можно рассматривать как потенциальную основу для создания холодильных установок. К таким процессам относятся, напр., изотермические процессы сжатия либо адсорбции газов, намагничивания парамагнетиков и сверхпроводников. При этом низкая температура достигается соотв. в адиабатических процессах расширения и десорбции газов, размагничивания парамагнетиков и сверхпроводников.
Перечисленные и иные процессы искусств. охлаждения в большинстве случаев осуществляются: 1) путем теплообмена между охлаждаемыми веществами и хладагентами – испаряющимися низкокипящими жидкостями, температура которых за счет уменьшения энтальпии i понижается до температуры кипения при давлении испарения; 2) изоэнтальпийным (i = const) расширением газов, предварительно сжатых в компрессорах, или жидкостей при их прохождении через сужение (вентиль, кран, пористая перегородка), т. е. их дросселированием (процесс протекает адиабатически без совершения внеш. работы) с использованием эффекта Джоуля – Томсона, или дроссельного эффекта, – отрицательные либо положительные изменения температуры тела при отсутствии подвода к телу или отвода от него теплоты; 3) адиабатическим (изоэнтропийным, S = const) расширением газов с совершением внеш. работы в т. наз. детандерах - машинах, устроенных подобно поршневому компрессору или турбокомпрессору; 4) сочетанием обоих методов расширения. Эти и другие методы получения холода рассмотрены ниже.
Принцип работы холодильных установок. Его удобно иллюстрировать с помощью идеального (воображаемого) холодильного процесса (цикла) в координатах р - V (рисунок 1; р, V- давление в системе и ее объем). При сжатии в компрессоре (процесс ВbА)рабочего тела его температура Т повышается; при этом в окружающую среду с т-рой Т0 передается удельная (на единицу кол-ва хладагента) теплота q0 (площадь AbBdcA) и энтропия рабочего тела понижается; в конце сжатия Т = Т0. При послед. расширении (процесс АаВ)хладагента его температура понижается. Затем к нему от охлаждаемой среды переносится теплота qx (площадь AaBdcA)и энтропия рабочего тела возрастает.
Повторяя указанные процессы, получают непрерывный круговой холодильный цикл с постоянной холодопроизводительностью qx (кол-во теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела). Расходуемая в цикле механическая работа l_ц (площадь АаВbА), параметры q₀ и q_x по закону сохранения энергии связаны между собой выражением: q₀ = q_x + l_ц. Энергетические показатели цикла характеризуются т. наз. холодильным коэффициентом ε = q_x/l_ц.