Охлаждением называется процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении теплота от более нагретого тела переходит к менее нагретому телу (среде). Искусственное охлаждение предполагает получение температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружаемой среды. Для создания низких температур применяют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты.

К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, относится фазовый переход вещества при котором происходит поглощение теплоты извне: плавление или таяние при переходе тела из твёрдого состояния в жидкое, испарение или кипение при переходе тела из жидкого в парообразное состояние, сублимация при переходе тела из твёрдого состояния непосредственно в газообразное. Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой, меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; вихревом эффекте; термоэлектрическом эффекте.

Диапазон низких температур - от температур окружающей среды да температур , близких к абсолютному нулю, - условно подразделяют на область умеренно низких (до - 153°C, или 120 k) и криогенных (ниже 120 K) температур.

Фазовый переход вещества при плавлении, кипении, сублимации происходит при соответствующих температурах и с поглощением значительного количества теплоты.

Для получения низких температур, но не ниже 0° C, может быть применён водный лёд, который при атмосферном давлении плавится при 0° C и имеет сравнительно большую величину удельной теплоты плавления 335 кДж/кг. При давлении ниже атмосферного сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0° C, что используют при сублимационной сушке пищевых продуктов.

Самая низкая температура плавления смеси хлорида кальция со льдом достигает в криогидратной (эвтектической) точке. Она равна - 55° С при массовой концентрации хлорида кальция ξ22,9%. Источником низкой температуры может служить твёрдая углекислота (сухой лёд), имеющий при атмосферном давлении температуру сублимации – 78,5° С и удельную теплоту 574 кДж/кг.

Получение низких температур в результате использования процесса кипения распространено более широко. С помощью одного вещества можно получить определённый интервал температур, поскольку температура кипения веществ зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения его понижается, и наоборот.

С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широком диапазоне.

Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Адиабатическим дросселированием называется процесс необратимого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождение его через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка) без совершения внешней работы и без сообщения и отнятия теплоты.

Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия¹ вещества не изменяется. Полезная же работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения.

При адиабатическом дросселировании реального газа, в отличии от идеального в следствии изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры газа. Изменение температуры реального газа при дросселировании называется эффектом Джоуля – Томпсона.

В зависимости от начального состояния реального газа перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменений.

Точка, соответствующая начальному состоянию газа, в котором температура газа при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, температурной инверсией. Точку инверсии можно определить, построив в координатах TV (температура – объём газа) изобару и проведя к ней касательную из начала координат.

При начальных температурах газа, которые меньше температуры инверсии, реальный газ при дросселировании будет охлаждаться а при начальных температурах больше температуры инверсии - нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеет довольно высокую температуру инверсии (600° С и выше), поэтому практически для всех газообразных веществ в области, близкой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.

При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы получение низких температур возможно при любом состоянии газа, так как температура изменяется в сторону понижения.

отличии от адиабатического дросселирования, в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом величина понижения температуры в процессе адиабатического расширения газа при прочих равных условиях бывает больше, чем в процессе адиабатического дросселирования.

Адиабатическое расширение газа в детандре (расширителе) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект достигает в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна радиусу. Центральная часть вращающегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вследствие чего температура воздуха у стенке трубы выше, а в центе ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную часть потока. Это явление называется явлением Ранка.

Термоэлектрический эффект, известный как эффект Пельтье, заключается в следующем: при прохождении постоянного электрического тока через цепь, состоящую из двух разнородных проводников, или полупроводников, один из спаев имеет низкую температуру, а другой – высокую.

Холодный спай термоэлемента, состоящий из двух ветвей, соединённых токоведущими шинами, является источником низкой температуры.

Основной показатель качества термоэлемента – коэффициент добротности (эффективность вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев.

Таким образом, осуществляя определённый физический процесс, можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для понижения температуры тела, т. е. для его охлаждения.

Для осуществления процесса охлаждения необходимо иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее – источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой температуры должен функционировать постоянно, так как охлаждение должно осуществляться непрерывно. Это возможно при достаточном большом запасе охлаждающего вещества (тела) или при его конечном количестве, если восстанавливать первоначальное состояние вещества. Последний метод непрерывного получения низкой температуры широко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.

Безмашинные способы получения холода основываются на плавлении, испарении, сублимации, а в термоэлектрических охлаждающих устройствах – на эффекте Пельтье.