4. Зрідження газів. Наднизьки температури.

Зрідження газів реалізується їх стисненням при температурах нижче критичної. При цьому далеко не всі гази можуть бути переведені в рідкий стан при кімнатній температурі. Причина цього полягає в тому, що кімнатна температура є значно більшою за критичну температуру цих газів Т_кр. А при Т > Т_кр, газ, як ми знаємо, не переходить в рідкий стан.

У табл.1наведені критичні параметри Т_кр і р_кр для ряду газів.

Таблиця 1

Речовина	Ткр, К	Ркр, ат
гелій (Не)	5 (-268˚С)	2,2
водень (Н2)	33,2 (-240˚С)	12,9
азот (N2)	126 (-147˚С)	33,5
аргон (Ar)	151 (-122˚С)	48
кисень (О2)	154,3 (-118,8˚С)	50
вуглекислий газ (СО2)	304,2 (31˚С)	73
вода (Н2О)	647,2 (374˚С)	217
хлор (Cl2)	417 (144˚С)
аміак (NH3)	405 (132˚С)

З таблиці видно, для того, щоб зрідження стало можливим, потрібно спочатку охолодити, наприклад, азот до -147 ˚С, кисень до -118.8 ˚С.

Але зріджені таким чином гази зручно зберігати під атмосферним тиском, а не при високих тисках. В цьому випадку температура речовини повинна бути ще нижчою, тобто такою, при якій тиск, що відповідає горизонтальній дільниці ізотерми реального газу, дорівнював би атмосферному тиску р_нас = р_атм (р_нас – тиск насиченої пари). Для азоту така ізотерма відповідає температурі 77.4К (-196˚С), тобто за цієї температури азот може бути переведений в рідкий стан при р_атм і зберігатися в цьому стані. Для кисню ізотерма, що задовольняє вищеназваним умовам, визначається температурою 90 К (Т_кр=154.4 К), для водню – 20.5 К (Т_кр=33К), для гелію – 4.4 К (Т_кр=5,3К). Досягнення таких низьких температур (4.4 К÷70 К) є досить складною задачею, і для їх отримання на практиці застосовують три методи, засновані на явищах: а) випаровування рідин; б) ефекту Джоуля-Томсона в реальних газах; в) оборотного адіабатного розширення газу із здійсненням зовнішньої роботи.

Отримання низьких температур за допомогою інтенсивного випаровування рідини.

За цим принципом працюють, наприклад, домашні холодильники. Робочим тілом холодильника є рідина (фреон). Компресором при його включенні ця рідина подається у випаровувач (систему трубок з великою площею перерізу). Одночасно з роботою компресору над поверхнею фреону у випаровувачі зовнішній тиск р₃ знижується так, що він стає менше тиску насиченої пари фреону р_нф за даної температури р_нф > р₃. Як наслідок, фреон кипить (інтенсивно випаровується) у випаровувачі. На його кипіння і витрачається теплота повітря, що знаходиться всередині холодильної камери. Молекули фреону, що “википіли” (“гарячі молекули”) всмоктуються компресором і потрапляють у конденсатор. Це такий трубчастий пристрій, де газ-фреон, віддаючи своє тепло радіатору і далі – повітрю кімнати (завдяки чому відбувається обігрів кімнати), конденсується, тобто перетворюється у рідину.

В техніці для отримання низьких температур, охолодження і зрідження газів широко застосовують методи, засновані на ефекті Джоуля-Томсона (зниження температури газу при його дроселюванні) і зниженні температури газу при його адіабатному розширенні із здійсненням зовнішньої роботи. Часто ці два методи реалізуються одночасно.

Необхідно відзначити, охолодження газу при адіабатному розширенні з виконанням роботи повинно бути більш ефективним, ніж при дроселюванні, оскільки адіабатне розширення – процес оборотній (в принципі, може бути оборотнім), в той час як ефект Джоуля-Томсона є необоротнім процесом. А, як відомо, оборотність процесів забезпечує великий коефіцієнт корисної дії машини.

Це можна показати і з допомогою розрахунку зміни температури. При адіабатному розширенні газу

. (5)

Порівнюючи (5) із (3), бачимо, що за рівних умов охолодження в даному випадку буде більшим. До того ж, охолодження у випадку адіабатного розширення, на відміну від дроселювання, може відбуватися також і в ідеальному газі.