XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физические способы получения отрицательных температур
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
АКТУАЛИЗАЦИЯ.
Использование около-нулевых или отрицательных температур крайне востребовано в лабораторных, домашних и производственных условиях. Около-нулевые и отрицательные температуры в одних случаях помогают при достижении поставленных целей, в других – создают определенные препятствия. В бытовом плане, как пример, обеспечивается длительное хранение продуктов питания без ухудшения качества в приемлемом промежутке времени. В лабораторных условиях - многочисленные экзотермические реакции протекают с выделением большого количества тепла и требуют охлаждения. На производствах понижение температуры требуется для таких задач как:
Очищения газов (конденсация для выделении тяжелых углеродов)
Консервации пищевых продуктов, плазмы крови и биохимических препаратов.
- Получения сверхпроводников.
- Сжижения газов для низкотемпературной рефракции в производстве воска и парафинов.
- Повышения прочности металлоконструкций (-80, -100 градусов по Цельсию).
ЦЕЛИ РАБОТЫ:
- Изучить способы охлаждения и получения отрицательных температур.
- Собрать действующую установку с целью проведения эксперимента по получению отрицательной температуры.
Достижение поставленных целей включает в себя:
• Сбор информации о способах получения отрицательных температур.
• Монтаж установки на основе термоэлектрических элементов Пельтье.
• Проведения эксперимента, сбор и анализ полученных данных. Определение на их основе эффективности и актуальности метода.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Испарение жидкостей.
Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы.
В сосуде Дюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением,
достаточно хорошо поддерживается постоянная температура нормального кипения хладагента.
Наиболее часто используемые хладагенты — жидкий азот и жидкий гелий. Ранее использовавшиеся сжиженные водород и кислород сейчас используются достаточно редко из-за повышенной взрывоопасности испарений. Азот же и гелий практически инертны и опасность представляет только резкое расширение при переходе из жидкого в газообразное состояние.
Принцип действия такого способа основывается на явлении перехода вещества из жидкой фазы в пар, тогда, молекулы получают достаточно энергии для преодоления сил взаимного притяжения и силы тяжести. Энергетические затраты для совершения внутренней работы по преодолению этих сил очень велики, поэтому при переходе из жидкой фазы в пар вещество поглощает значительно больше теплоты, чем при переходе из твердой фазы в жидкую.
Скрытая теплота парообразования и температура кипения зависят от давления и теплофизических свойств холодильных агентов. Для получения умеренно низких температур (от 273 до 243 К) используют аммиак с нормальной температурой кипения - 33,4 С, фреоны, например, фреон-12 с температурой кипения -29,7 С. Для получения криогенных температур от 120 до 4 К применяют криогенные жидкости, среди которых наибольшее распространение получили жидкий азот с температурой кипения 77 К (-196 С). Наиболее низкой температурой кипения, равной 4 К (-269 С) обладает гелий, который применяется для получения сверхнизких температур.
Дросселирование/расширение газа с совершением внешней работы/детандер.
Расширение газов и паров с целью получения холода может производится двумя способами:
Расширение с осуществлением внешней работы
Дросселирование.
Расширение с осуществлением внешней работы.
При адиабатическом расширении с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего вещества уменьшаются.
Практически – расширение предварительно сжатого газа происходит в детандере – газовом двигателе. Он совершает внешнюю работу над хладагентом. Работа над телом совершается без теплообмена с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.
2. Дросселированием называется расширение рабочего вещества (чаще газа), при прохождении его через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и другие виды дроссельных устройств, сопровождаемое изменением температуры рабочего тела.
Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании получило название дроссельного эффекта или эффекта Джоуля - Томсона. Дроссельный эффект считается положительным, если при дросселировании газ охлаждается и отрицательным, если температура газа повышается. Большинство газов обладают положительным дроссельным эффектом и при дросселировании охлаждаются. Отрицательным дроссельным эффектом обладают водород и гелий, которые, в отличие от других газов, при дросселировании нагреваются.
Термоэлектрический элемент.
Действие термоэлектрических охлаждающих устройств основано на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье и два других, сопутствующих процессу охлаждения термоэлектрических эффекта - Зеебека и Томсона, обусловлены взаимным превращением электрической и тепловой энергии.
Принцип работы эффекта Пельтье заключается в следующем:
При протекании постоянного тока через контакт 2х различных полупроводников, в местах их контакта поглощается или выделяется теплота.
Два полупроводника с n- и р-проводимостью образуют цепь, по которой проходит постоянный ток. В результате поглощения теплоты Пельтье на одних спаях и выделения на других устанавливается разность между температурами спаев. Если температура Тх на холодном спае ниже температуры охлаждаемого объекта То, а температура на горячих спаях Тг выше температуры окружающей среды Т, то термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, перенося теплоту от холодного источника к окружающей среде.
В начале 19го столетия, в 1934году французский ученный и часовщик поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, затем он пустил по цепи электрический ток. К своему удивлению он обнаружил, что вода замерзла.
К сожалению, из-за практически отсутствующего вопроса об охлаждении чего-либо, интерес к опыту Пельтье Никто не
проявил. Но спустя пару столетий, когда появились компактные устройства, требующие миниатюрных систем охлаждения, о эффекте Пельтье вспомнили.
К положительным сторонам данного способа относятся:
Возможность соединять элементы каскадом, для получения большой разности температур.
элемент не имеет движущихся деталей, что увеличивает общую надежность конструкции системы.
3. возможность монтажа элементов в системах с малыми габаритами.
4.возможность создания элемента, с практически любыми габаритными размерами под нужные задачи.
В свою очередь элементы имеют и некоторые недостатки, например:
Для корректной работы элемента требуется хорошее отведение тепла с горячей стороны.
малое КПД элемента.
Большое потребление тока.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Целью эксперимента было установить, насколько низкую температуру можно получить, при использовании термоэлектрических элементов в домашних условиях.
Экспериментальная установка.
Для создания экспериментальной установки были использованы материалы:
4х ступенчатые термоэлектрические элементы 2шт.
2 активных воздушных радиатора.
Блок питания, включающий в себя AC-DCпреобразователь, DC-DC преобразователь с возможностью регулировки напряжения, соединительные провода, разъемы и кабели.
Медное тело, с помощью которого можно прогонять через установку различные жидкости с целью их охлаждения.
Собранная установка представляет собой элемент Пельтье, установленный на радиатор, и зафиксированный на нем специальным клейким теплопроводящим составом.
К элементу подведены кабели питания. На элемент установлена термопара, позволяющая регистрировать температуру холодной стороны элемента.
После чего был проведен эксперимент, суть которого заключалась в определении возможности использования элемента для заморозки жидкости или охлаждения различных предметов, так же была приблизительно установлена максимально возможная отрицательная температура. Она составила приблизительно -50 градусов Цельсия. К сожалению, моя термопара не может регистрировать температуру ниже.
ЗАКЛБЧЕНИЕ.
В качестве заключения, я могу сказать, что конечно же существует масса способов охлаждения тел до отрицательных температур.
Каждый метод хорош в своих условиях применимости. Так, способ охлаждения тел с помощью детандера – не всегда оптимален или вообще не может быть технически реализуем в условиях: например макетной платы, где нужно охлаждать тела с невысокой тепловой мощностью и небольших габаритов.
Элемент Пельтье справится с подобной задачей намного эффективней.
Эксперименты с охлаждающей установкой, собранной на элементах Пельтье показали, что холодная сторона элементов может достичь дельты температуры в 70 градусов Цельсия (дельта между комнатной температурой и температурой холодной стороны элемента).
На холодной стороне элемента удалось достичь температуры в – 50 градусов Цельсия, из чего можно сделать окончательный вывод, что использование элементов Пельтье для охлаждения миниатюрных систем, использование элементов в приборах ночного виденья, для охлаждения матриц фотоаппаратов с большой кратностью увеличения – полностью оправдано.
ИСТОЧНИКИ.
https://chem21.info/info/875813/
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BA%D0%B8%D1%85_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80
https://studfile.net/preview/3187986/
https://studme.org/283730/tehnika/sposoby_ohlazhdeniya
http://electrik.info/main/fakty/687-effekt-pelte-magicheskoe-deystvie-elektricheskogo-toka.html
Так же использовались материалы с площадки YouTube:
https://www.youtube.com/watch?v=Gz1Yrvi_wPI&ab_channel=%D0%A5%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B4-%D0%9A%D0%BB%D1%83%D0%B1
https://www.youtube.com/watch?v=kYAsU0x02Zw&ab_channel=%D0%A5%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B4-%D0%9A%D0%BB%D1%83%D0%B1