Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 103. Конденсация газов
Всякий газ представляет собой перегретый пар некоторой жидкости, а потому может быть обращён в жидкое (а также и в твёрдое) состояние.
Для возможности сжижения какого-нибудь (химически индиви дуального) газа необходимо, чтобы его температура сделалась ниже критической. Если она лишь немного ниже критической, то для сжи жения газа придётся его подвергнуть давлению, которое будет лишь немногим ниже критического; с понижением температуры газа пони жается и требуемое давление, что понятно из рис. 287 и 288.
В приводимой здесь таблице указаны критические температуры и давления различных веществ, расположенных в порядке повышаю щихся критических температур.
Параметры критического состояния
Из таблицы видно, например, что, применяя давления в несколько десятков атмосфер, можно обратить в жидкость углекислоту уже при обыкновенной температуре; чтобы обратить в жидкое состояние этилен, необходимо охладить его ниже 10°С, но для обращения кислорода в жидкость требуется холод ниже -118,8°С, а в случае водорода — ниже -240°С.
Если, с одной стороны, средством сжижения газов является низкая температура, то, с другой стороны, газ, сгущённый в жидкость и. твёрдое тело, сам служит источником ещё более низкой температуры. Так, чтобы аммиак сгустить в жидкость при комнатной температуре, его нужно подвергнуть давлению в 7—8 am, если же уменьшить давление над жидким аммиаком до 1 am (например, поместив его на открытом воздухе), то он закипит (подобно воде, помещённой под колоколом воздушного насоса) и температура его понизится при мерно до -33°. Вообще, если внезапно понизить давление над жидкостью, в которую превращён газ, то температура жидкости вследствие затраты тепла на парообразование резко понижается. Используя это явление, швейцарский физик Пикте в 1877 г. разра ботал простейший способ сжижения газов, причём для достижения более и более низких температур он пользовался газами, легче сжи маемыми, в качестве источников холода, позволяющих сгустить газы, труднее сжимаемые (метод Пикте).
Другой метод сжижения газов (метод Линде) был разработан в конце XIX в. английским физико-химиком Дьюаром и независимо от него и с ещё большим успехом немецким инженером Линде; они применили для сжижения газов явление Джоуля — Томсона.
Это явление (упомянутое в § 93) состоит в следующем: если теплоизолированный газ переходит от высшего давления к низшему, то происходящее при этом расширение вообще сопровождается изме нением температуры газа. При высоких температурах расширяю щийся газ нагревается, при низких температурах расширяющийся газ охлаждается. Температура, пограничная между той и другой областью, называется температурой инверсии. Температура инвер сии составляет для воздуха +248°С, для азота +233°С, для водо рода -80°С, если газ от давления 100 am расширяется к давле нию 1 am.
Получаемое путём расширения падение температуры может быть весьма значительно. Так, если воздух при -100°С и 136 am давле ния расширяется до 1 am, то температура его понижается на 93°, что достаточно для обращения его в жидкое состояние (жидкий воз дух под давлением 1 am имеет температуру -190°С).
Сжижение газов в своё время вызвало сенсацию и возбудило всеобщий интерес. В статье, предназначенной для самого широкого круга читателей, проф. А. Г. Столетов в 1878 г. писал: «Истекший год начался поразительным завоеванием в области физических наук: на земле впервые увидели твёрдый водород. Этот легчайший из газов, всех упорнее сопротивлявшийся сжижению, потёк жидкой струёй, посыпался, как дробь. Незадолго перед тем удалось сгустить и заморозить кислород и азот, составные части воздуха». Эти успехи в конденсации газов были достигнуты применением первого из описанных выше методов — метода Пикте. Начальное охлаждение обычно получали интенсивным испарением сернистого ангидрида, охлаждав шего змеевик, по которому под большим давлением пропускалась углекислота. Испарение углекислоты в другом сосуде аналогично зызывало охлаждение трубы со сжатым кислородом.
Непосредственно применить способ Дьюара — Линде к сжижению водорода невозможно, потому что температура инверсии этого газа слишком низка (-80°С); но если водород предварительно охлаждён жидким воздухом ниже указанной температуры, то конденсация его процессом Линде не представляет уже особых затруднений.
Наиболее трудной задачей из области конденсации газов было обращение гелия в жидкое и твёрдое состояние. Жидкий гелий был получен в 1908г. голландским физиком Камерлинг-Оннесом, который организовал при Лейденском университете (около 1890 г.) лаборато рию, специально предназначенную для осуществления низких темпе ратур. Оннес воспользовался комбинацией методов Пикте и Линде.
Для гелия температура инверсии равна -258°С. Кипя под атмо сферным давлением, он имеет температуру -269°С (т. е. с неболь шим 4°, считая от абсолютного нуля). Испаряя жидкий гелий под очень малым давлением в 0,013 мм, Оннес получил температуру немного ниже 0,9°, считая от абсолютного нуля; при этих условиях гелий оставался жидким. Обращение гелия в твёрдое состояние уда лось уже после смерти Оннеса его сотруднику Кеезому не путём дальнейшего охлаждения жидкого гелия, а путём увеличения давления.
Водород и гелий в конденсированном состоянии замечательны своей малой плотностью: плотность жидкого водорода под атмосфер ным давлением 0,07 г/см3 (т. е. он в 14 раз легче воды), плотность твёрдого водорода 0,08 г/см3, плотность жидкого гелия примерно в семь раз меньше плотности воды.
Методом, которым пользовался Камерлинг-Оннес, удалось полу чить температуру около 0,7°К. Ещё более низкие температуры были реализованы иначе. Подобно тому как расширение реального газа (при температуре ниже точки инверсии) и испарение жидкости при водят к охлаждению, так и быстрое размагничивание намагничен ных тел также вызывает охлаждение. Быстрым размагничиванием при самых низких температурах удалось получить температуру, которая менее чем на одну двухсотую градуса отличается от абсо лютного нуля. Все способы охлаждения дают снижение температуры на некоторую долю той температуры, которая имелась. Достичь тем пературы, в точности равной абсолютному нулю, невозможно.
Для сжижения воздуха, кроме способов Пикте и Линде, с успе хом применяется ещё третий способ, разработанный французом Кло дом. В способе Клода холод получается в результате совершения воздухом «внешней» работы, тогда как в способе Линде главную роль играет совершение «внутренней» работы, идущей на преодоле ние сил взаимного притяжения молекул воздуха при увеличении рас стояний между ними. Применяемые в способе Клода машины, в ко торых воздух, расширяясь, производит внешнюю работу и вследствие этого охлаждается, называются детандерами. Поршневые детандеры похожи по устройству на поршневые паровые машины, но рабо тающие не паром, а сильно сжатым воздухом (до 200 am). В наиболее совершенных детандерах Гейланда воздух, расширяясь, охлаж дается вследствие производимой им внешней работы на 150°. Благо даря ряду усовершенствований способа Клода, сделанных советским учёным П. Л. Капицей, вводятся в употребление турбинные детанде ры: воздух, сжатый всего лишь до 4—5 am, вращая турбину, про изводит работу и охлаждается настолько, что часть воздуха (5—6%) может быть сжижена. При одинаковой производительности размеры ожижительной установки с турбодетандером Капицы в пять раз мень ше размеров аналогичных установок с поршневыми детандерами.
1) Латинское inversio - переворачивание