Сжижение газов. Получение низких температур.
Получение в жидком состоянии вещества, в обычных условиях находящегося в газообразном состоянии, - важная проблема физики, химии, техники, медицины, фармации. Сжиженные газы удобны для хранения и транспортировки, ведь вещество в жидком состоянии занимает примерно в тысячу раз меньший объём, чем в газообразном. Они также являются великолепным источником холода.
Чтобы сжижить газы, их обязательно надо охладить до температуры ниже критической.
В таблице 4.1 приведены значения критических температур to некоторых веществ.
Таблица 4.1 Критические температуры некоторых веществ.
вещество |
t кро С |
Вода |
374 |
Хлор |
146 |
Кислород |
-118 |
Азот |
-147 |
Гелий |
-267 |
Из таблицы видно, что при комнатных температурах вода и хлор являются парами, их можно перевести в жидкое состояние просто сжатием, потому что их критические температуры выше комнатной. А вот кислород, азот, гелий - так называемые "истинные газы", их нельзя сжижить одним сжатием, критические температуры этих газов ниже комнатной. Чтобы перевести в жидкое состояние, надо сначала охладить их до температур ниже критической.
Физика разработала много методов получения низких температур. Один из широко распространённых способов - охлаждение газа при его адиабатическом расширении. При адиабатическом расширении газ совершает работу за счёт расхода его внутренней энергии.
При совершении газом работы его внутренняя энергия уменьшается, температура понижается. На этом принципе работает детандер - расширитель Клода, широко использовавшийся, в частности, для получения жидкого кислорода. (Рис. 4.7 а). В детандере Клода газ, сжатый до большого давления в толстостенном цилиндре, вырываясь из него, расширяется и при этом охлаждается.
а)
б)
Рис 4.5. Детандер Клода – а, и П.Л.Капицы - б (объяснения в тексте).
Во время Великой Отечественной Войны большое значение приобрела проблема получения большого количества жидкого кислорода, который применялся для вырезания из брони кусков нужной формы, из которых затем сваривалась по методу Патона танковая броня. Увеличение выпуска танков имело решающее значение для Победы нашей Родины.
Для получения жидкого кислорода из воздуха требовалось достижение очень низких температур. Детандеры Клода были громоздки, дороги и малопроизводительны. Проблема была решена знаменитым советским физиком П.Л.Капицей, который изобрёл так называемый турбодетандер. В турбодетандере Капицы расширяющийся газ вращал турбину, совершал дополнительную работу, соответственно больше расходовал внутреннюю энергию и быстрее охлаждался. Это резко увеличило производительность, потребовало значительно более низких давлений в детандере, уменьшило его толстостенность и размеры.
Сжиженные газы обычно хранятся в сосудах Дьюара (рис.4.6)
Рис.4.6. Сосуд Дьюара (объяснения в тексте)
У сосуда Дьюара двойные стенки, между которыми создан вакуум, что уменьшает их теплопроводность, Однако некоторое количество теплоты сжиженному газу всё же поступает, поэтому жидкость находится в кипящем состоянии при температуре кипения. У широко применяемого жидкого азота температура кипения при нормальном давлении - 196 С. Сосуд Дьюара нельзя закрывать глухой крышкой во избежание взрыва, который может быть вызван давлением пара испаряющейся жидкости.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 4
1.Покажите, что при высоких температурах уравнение Ван-дер-Ваальса переходит в уравнение Клапейрона - Менделеева.
2.Чем «пар» отличается от «истинного газа»?
3. Какие участки изотермы Ван-дер-Ваальса не имеют физического смысла? Почему?
4.Что такое «метастабильные состояния»? Для чего они используются в научных экспериментах?
5. Наполеон, отступая из сожжённой Москвы осенью 1812 года, приказал взорвать Кремль. Под кремлёвские стены и соборы были заложены бочки с порохом и подожжены фитили. Но после первых же взрывов на совершенно ясном небе вдруг сгустились тучи, и начался ливень, который погасил фитили. Объясните явление.