2.10.3. Зрідження газів. Практичне використання ефекту Джоуля-Томсона

Перехід газів у рідкий стан називається зрідженням газів. Як буде показано далі, газ можна перетворити в рідину, якщо його температура нижче від критичної, а тиск вищий від критичного; тобто температуру газів перед зрідженням треба спочатку знижувати до температури T_кр.

Досягнути досить низких температур (рідкий азот T_кр = 126,05К, водень T_кр = 33,25К, гелій T_кр = 5,25К) можна за допомогою ефекту Джоуля-Томсона. При послідовному стисканні, охолодженні і розширенні газу і багаторазовому повторенні цього циклу температура газу поступово знижується до його точки кипіння, коли він перетворюється в рідину. При зріджуванні повітря виходить суміш рідкого азоту і рідкого кисню, яку можна розділити, користуючись різницею в їх температурі кипіння (для азоту температура кипіння 77К а для кисню 90К).

Пристрій, в якому потрібної для зрідження газів температури досягають тим, що охолоджуваний газ виконує роботу не тільки проти сил молекулярної взаємодії, а й проти зовнішніх сил називається детандер.

Зріджування газів має технічне та наукове значення. Зріджування повітря використовується в техніці для розділення повітря на складові частини. Метод заснований на тому, що різні гази, з яких складається повітря, киплять при різних температурах. Найбільш низькі температури кипіння мають гелій, неон, азот, аргон. У кисню температура кипіння трохи вища, ніж у аргону. Тому спочатку випаровується гелій, неон, азот, а потім аргон, кисень. Зріджені гази знаходять широке застосування в техніці. Азот йде для отримання аміаку і азотних солей, уживаних у сільському господарстві для добрива грунту. Аргон, неон та інші інертні гази використовуються для наповнення електричних ламп розжарювання, а також газосвітних ламп. Найбільше застосування має кисень. У суміші з ацетиленом або воднем він дає полум'я дуже високої температури, що застосовується для різання і зварювання металів. Вдування кисню (кисневе дуття) прискорює металургійні процеси. Особливо важливим є застосування рідкого кисню як окислювача для двигунів космічних ракет. Рідкий водень використовується як паливо в космічних ракетах. Рідкий аміак знайшов широке застосування в холодильниках - величезних складах, де зберігаються швидкопсувні продукти. Охолодження, що виникає при випаровуванні зріджених газів, використовують в рефрижераторах при перевезенні швидкопсувних продуктів. Гази, що застосовуються в промисловості, медицині, тощо, легше перевозити, коли вони знаходяться в зрідженому стані, так як при цьому в тому ж обсязі знаходиться її більша кількість.

При добичі нафти ефект Джоуля-Томсона може бути використаний для активного впливу на пласт холодом або теплом. Охолодження або заморожування забою свердловини шляхом продавлювання нафтового газу через дросельний елемент, опущений в свердловину на насосно-компресорних трубах, не представляє технічних труднощів. У зв'язку з цим можна здійснити внутрішньопластове заморожування шляхом створення в пласті холодного кільця навколо свердловини на заданій відстані від її осі з температурою нижче нуля, причому забойная температура може залишатися початковій; таке кільце не пропускає води до застиглої нафти і може бути використано як для роз'єднання пластів, так і для багаторазового гідророзриву.

Завдання для самопідготовки

1. У чому сутність і які причини ефекту Джоуля - Томсона?

2. Які існують методи зрідження газів?

3. З чого складається внутрішня енергія реального газу?

4. У чому полягає відмінність позитивного та негативного ефекту Джоуля – Томсона?

5. 5. Як змінюється внутрішня енергія речовини при переході зі стану A у стан B (див. рис.)?

6. Знайти внутрішню енергію вуглекислого газу масою 0,132 кг при нормальному тиску і температурі 300 К.

Відповідь: 9,2 кДж.

6. Вуглекислий газ масою 20 г займає об'єм V₁ = 200 см³. Визначити зміну внутрішньої енергії газу при його ізотермічному розширенні до V₂ = 500 см³. Поправку а прийняти рівною 0,361 Н м⁴/моль².

Відповідь: 500 Дж