Khái niệm cơ bản và cơ sở nhiệt động của việc làm lạnh

Khái niệm về lạnh

Lạnh là một quá trình mất nhiệt (hoặc công) kèm theo là sự giảm nhiệt độ

Hoặc, lạnh là một khái niệm dùng để chỉ lượng nhiệt có trong vật thể tương đối thấp.

Bản chất vật lý của nóng và lạnh là hoàn toàn giống nhau, chúng đều là một dạng của năng lượng biểu thị bằng gia tốc chuyển động của các phân tử tạo thành vật thể. Nếu ta tìm cách giảm bớt nhiệt lượng trong vật thể thì chuyển động phân tử trong nó giảm dần và lúc đó vật thể được làm lạnh. Từ đó có thể thấy chuyển động của các phân tử là nguyên nhân tạo thành nóng và lạnh.

Năng suất lạnh

Năng suất lạnh là lượng nhiệt mà máy lạnh cần phải sản xuất ra để bổ sung cho lượng nhiệt lạnh tiêu hao trong buồng lạnh.

Đơn vị của năng suất lạnh: KJ/h; Kcal/h; W; Kw; Btu/h ….

Một số thông số cơ bản của vật chất

Vật chất trong tự nhiên đều có thể tồn tại ở một trong 3 trạng thái: rắn – lỏng – hơi. Sự tồn tại ở trạng thái này hay trạng thái kia là phụ thuộc vào các thông số cơ bản sau: áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng. Khi một trong ba thông số biến đổi thì dẫn đến trạng thái của vật chất thay đổi.

Nhiệt độ

Là đại lượng biểu thị trạng thái nhiệt của vật chất, theo thuyết động học phân tử nhiệt độ biểu thị tốc độ chuyển động của các phân tử trong vật chất.

Trong kỹ thuật đo nhiệt độ người ta sử dụng các thang đo thông dụng sau:

• Thang nhiệt độ Celsius hay còn gọi thang nhiệt độ Bách phân, ký hiệu: t; đơn vị ℃. Thang nhiệt độ này quy ước như sau: 0℃ là nhiệt độ băng tan, 100℃ nhiệt độ nước sôi.
• Thang nhiệt độ Kelvin hay còn gọi thang nhiệt độ tuyệt đối, ký hiệu T, đơn vị K.

Công thức chuyển đổi giữa các thang độ như sau:

• [^oF] = [^℃] x 5/9 + 32
  
• [K] = [^℃] + 273.15
  
• [℃] = ([^oF] – 32) x 5/9
• [℃] = [K] – 273.15

Áp suất

Là lực tác dụng của các phân tử chất khí lên một đơn vị diện tích bình chứa.

Ký hiệu: p;

Đơn vị đo: N/m² . Ngoài ra, còn sử dụng các đơn vị đo khác như Pa; Bar; kgf/cm² ; mH₂O .

1Mpa = 1Bar = 105 N/m² = 1,097 kgf/cm² = 10 mH₂O.

Để đo áp suất chất khí người ta thường dùng ba loại đồng hồ sau:

Manomet: dùng để đo áp suất dư. Chỉ số của đồng hồ là: p_dư

Đồng hồ Manomet đo phần áp suất dư của khí lớn hơn áp suất khí quyển. Số đo của nó là hiệu số giữa áp suất tuyệt đối của chất khí với áp suất khí trời. Trong trường hợp này áp suất tuyệt đối của chất khí đo là:

P = P_kt + P_dư

Baromet: dùng để đo áp suất khí trời. Chỉ số của đồng hồ là: P_kt

Chân không kế (Vacum): dùng để đo áp suất chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời. Chỉ số của đồng hồ là P_ck. Trong trường hợp này áp suất tuyệt đối của chất khí là:

P = P_kt – P_ck

Thể tích riêng

Là khoảng không gian mà một đơn vị khối lượng vật chất chiếm chỗ.

Ký hiệu: v,

Đơn vị: m³/kg hoặc l/kg

Nếu vật có khối lượng là G kg, chiếm thể tích là Vm3 thì thể tích riêng là:

v = V/G (m³/kg)

Đại lượng nghịch đảo của v là: 1/v = p (kg/m³) khối lượng riêng.

Trạng thái vật chất

Vật chất thường tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng và hơi. Muốn đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, điều kiện tiên quyết là phải có sự trao đổi năng lượng (nhiệt năng) ở áp suất không đổi.

Để làm rõ vấn đề này ta này nghiên cứu nước đá. Hình dưới đây giới thiệu đồ thị quan hệ nhiệt độ – nhiệt lượng khi nung nóng 1kg nước đá từ -20℃ đến 120℃ ở áp suất khí quyển 760 Torr.

• Khi nhiệt độ nước đá tăng từ -20℃ dến 0℃ (273,16 K) cần cung cấp nhiệt lượng khoảng 41,80 Kj.
• Khi cung cấp tiếp nhiệt lượng 334 Kj nước đá tan chảy hoàn toàn. Nước đá chuyển pha từ rắn sang lỏng. Nhiệt lượng q_r = 334 kJ/kg gọi là ẩn nhiệt nóng chảy.
• Nếu tiếp tục cung cấp cho nước ở nhiệt độ từ 0℃ đến 100℃, nhiệt lượng tiêu tốn khoảng 419 kJ.
• Khi nước đạt nhiệt độ 100℃, nếu tiếp tục cung cấp nhiệt lượng 2257 kJ thì nước hóa hơi hoàn toàn. Nhiệt lượng r = 2257 kJ/kg được gọi là ẩn nhiệt hóa hơi.
• Khi nước đã ở trạng thái hơi bão hòa khô (điểm cuối cùng của quá trình hóa hơi), nếu tiếp tục cung cấp thêm nhiệt lượng thì hơi bão hòa sẽ trở thành hơi quá nhiệt (hơi quá nhiệt là hơi có cùng áp suất với hơi bão hòa nhưng có nhiệt độ cao hơn).

Khi tiến hành thí nghiệm tương tự ở điều kiện áp suất khác nhau rồi nối các điểm đầu của quá trình sôi ta được đường bão hoà lỏng và nối các điểm cuối của hơi quá nhiệt ta được đường hơi bão hoà. Khi điểm bão hòa lỏng và điểm hơi bão hòa khô gặp nhau thì đó là điểm tới hạn. Tại đây nhiệt ẩn hóa hơi r = 0.

Nếu nghiên cứu sự thay đổi trạng thái ở trên đối với các môi chất lạnh thì ta cũng cũng có hình ảnh tương tự và từ đó người ta thiết lập được đồ thị nhiệt động của các loại môi chất .