Капица Петр Леонидович (1894- 1984)- знаменитый советский физик; лауреат Нобелевской премии; ученик Э. Резерфорда.
Капица открыл сверхтекучесть жидкого гелия, разработал новые промышленные методы сжижения газов. Большое значение имеют работы Капицы по созданию сверхсильных магнитных полей и электронных генераторов больших мощностей.
Существует много типов машин для получения жидких газов, в частности жидкого воздуха. В современных промышленных установках значительное охлаждение достигается путем расширения газа в условиях теплоизоляции (адиабатное расширение).
Такие машины называют детандерами (расширителями). Расширяющийся газ совершает работу, перемещая поршень (поршневые детандеры) или вращая турбину (турбинные детандеры), за счет своей внутренней энергии и поэтому охлаждается.
Высокопроизводительные турбодетандеры низкого давления были разработаны академиком П. Л. Капицей. Начиная с 50-х годов все крупные установки в мире для сжижения воздуха работают по схеме Капицы.
На рисунке 6.14 приведена упрощенная схема поршневого детандера. Атмосферный воздух поступает в компрессор 1 , где сжимается до давления в несколько десятков атмосфер. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в теплообменнике 2 проточной водой и поступает в цилиндр детандера 3. Здесь он, расширяясь, совершает работу, толкая поршень, и охлаждается настолько сильно, что конденсируется в жидкость. Сжиженный воздух поступает в сосуд 4.
Температура кипения жидкого воздуха очень низка. При атмосферном давлении она составляет -193 °С. Поэтому жидкий воздух в открытом сосуде, когда давление его паров равно атмосферному давлению, кипит. Так как окружающие тела значительно теплее, то приток теплоты к жидкому воздуху, если бы он хранился в обычных сосудах, был бы настолько значителен, что за очень короткий срок весь жидкий воздух испарился бы.
Хранение жидких газов
Чтобы сохранить воздух в жидком состоянии, надо воспрепятствовать его теплообмену с окружающей средой. С этой целью жидкий воздух (и другие жидкие газы) помещают в особые сосуды, называемые сосудами Дьюара. Сосуд Дьюара устроен так же, как и обычный термос. Он имеет двойные стеклянные стенки, из пространства между которыми выкачан воздух (рис. 6.15). Это уменьшает теплопроводность сосуда. Внутреннюю стенку делают блестящей (посеребренной) для уменьшения нагревания излучением. У сосудов Дьюара узкое горлышко, при хранении в них сжиженных газов их оставляют открытыми, чтобы содержащийся в сосуде газ имел возможность постепенно испаряться. Благодаря затрате теплоты на испарение сжиженный газ остается все время холодным. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух сохраняется в течение нескольких недель.
Применение сжиженных газов
Сжижение газов имеет техническое и научное значение. Сжижение воздуха используется в технике для разделения воздуха на составные части. Метод основан на том, что различные газы, из которых воздух состоит, кипят при различных температурах. Наиболее низкие температуры кипения имеют гелий, неон, азот, аргон. У кислорода температура кипения несколько выше, чем у аргона. Поэтому сначала испаряется гелий, неон, азот, а затем аргон, кислород.
Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идет для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он дает пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутье) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород облегчает страдания больных. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет. Двигатели ракеты-носителя, поднявшей в космос первого космонавта Ю. А. Гагарина, работали на жидком кислороде.
Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн-5» требуется 90 т жидкого водорода.
Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объеме заключается большее количество вещества. Так доставляют в стальных баллонах жидкую углекислоту на заводы газированных вод.
Жидкий аммиак нашел широкое применение в холодильниках - огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.
ОГЛАВЛЕНИЕПредисловие 3
ПЕРВАЯ ЧАСТЬ
Сжижение газов
ГЛАВА I Первые этапы 7
Упругость паров жидкостей - Пары насыщенные и ненасыщенные 8
Изменения упругости паров различных жидкостей в зависимости от свойств последних и их температуры 10
Теплота испарения 11
Необходимость холода для существования сжиженных газов при атмосферном давлении 12
Влияние давления на температуру кипения 13
Уменьшение давления 13
Холодильные машины, построенные на принципе испарения 13
Увеличение давления 15
Возможность использования давления вместо охлаждения при получении некоторых сжиженных газов 16
Превращение насыщенного пара в жидкость под влиянием давления, превышающего его упругость 18
Обратимость явлений испарения и сжижения 20
Теплота сжижения 21
Ненасыщенный пар, подвергнутый давлению, сжимается подобно газу до начала и перехода в состояние насыщенного пара 22
Отклонение ненасыщенных паров от закона Мариотта по мере их приближения к состоянию насыщения 23
Сжижение путем простого охлаждения 25
Сжижение простым давлением 27
Опыты Фарадея 28
Аппарат Тилорье 30
Некоторые свойства твердой углекислоты 32
Сжижение п?и помощи одновременного сжатия и охлаждения 33
Дальнейшие опыты Фарадея 33
ГЛАВА II Критическая точка 35
Новые неудачи и их причины 35
Работы Каньяр-де-ля-Тура и мнение Фарадея 37
Опыты Эндрьюса 38
Кршическая точка и определяющие ее условия 42
Классификация газов по их сжижаемости 43
Классификация Эндрьюса 45
ГЛАВА III Сжижение постоянных газов 45
Опыты Кальете 45
Опыт Пикте 50
Опыты Ольшевского и Вроблевского 54
Опыты Камерлинг-Оннеса 56
ВТОРАЯ ЧАСТЬ
Промышленное сжижение воздуха
ГЛАВА IV Расширение и теплообменник Сименса От Сименса до
Линде 58
Недостаточность метода многократных циклов 58
Почему расширение производит холод? 59
Два основных способа расширения 60
Необходимость применения теплообменников 61
О неудавшихся попытках 63
Опыт Джоуля и Томсона 64
Способ и аппарат Гамсона 67
Теплообменник предназначен не только для увеличения охлаждения 69
Процесс и аппарат Линде 71
Немного об истории моих работ 74
Сравнение двух способов расширения 79
Расширение с внешней работой 82
Расширение путем простого истечения 83
ГЛАВА V Несовершенство газообразного состояния Работы Вандер-Ваальса 86
Соответственные состояния 94
Сжимаемость воздуха при низких температурах 100
Работы Витковского 100
ГЛАВА VI Расширение простым истечением 104
Вычисление коэффициента полезного действия 104
Расширение несовершенного газа путем простого истечения 107
Падение температуры при расширении создает мнимое и, преувеличенное представление об охлаждающем эффекте 117
Улучшения, внесенные Линде в способ расширения с внутренней работой 117
Вычисление охлаждающего эффекта расширения по способу Линде 121
ГЛАВА VII Расширение с использованием внешней работы 121
Автоматическая смазка Петролейный эфир 125
Первые опыты 129
Первые успехи 131
Недостатки расширения со сжижением в машине 132
Сжижение под давлением 135
Практическое применение 139
Несколько слов по поводу использования энергии расширения 142
Улучшение конца расширения Двойное расширение 143
Многократное расширение 147
Другой способ 148
Простое расширение или двойное при сжижении кислорода под давлением 149
Вычисление предельного полезното действия расширения с внешней работой 151
Количество возвращаемой энергии 157
итание сжижителя кислородом 157
Другие труды в области расширения с внешней работой 157
ТРЕТЬЯ ЧАСТЬ
Хранение и свойства жидкого воздуха
ГЛАВА VIII Хранение жидкого воздуха 160
Трудная задача 160
Первое средство замедлить испарение 165
Способ д’Арсонваля Сосуды с двойными стенками и безвоздушным пространством между ними 166
Усовершенствование Дюара Сосуды с двойными посеребренными стенками и безвоздушным пространством между ними 170
Аппарат для переливания Предосторожности, необходимые при работах с жидким воздухом 172
Степень пригодности сосудов дАрсонваля и Дюара 175
Применение низких температур для образования совершенного вакуума 177
Невозможность хранения жидкого воздуха в закрытых сосудах 178
ГЛАВА IX Физические свойства и применение жидкого воздуха 179
Цвет 179
Изменение точки кипения смесей кислорода и азота в зависимости от их состава 180
Изменение точки кипения или сжижения в зависимости от давления 182
Плотности жидкого воздуха, жидкого кислорода и жидкого азота 184
Теплота испарения жидкого воздуха: Применение в качестве охлаждающею вещества 185
Теплоемкость жидкого воздуха 187
Исключительные явления, вызываемые сфероидальным состоянием 187
Безвредность жидкого воздуха для Микробов 190
Магнитные свойства жидкого воздуха 191
Некоторые следствия охлаждения жидким воздухом Полу пламени горелки Бунзена 192
Отвердевание различных тел в жидком воздухе 193
Аномалия кожи 195
Изменение сцепления металлов 195
Замораживание жидкостей: ртути, спирта и т. д. 197
Петролейный эфир Опыты д’Арсонваля Термометры для жидкого воздуха 198
Получение новых газов из атмосферы Труды В Рамзая Сжижение гелий 200
Замораживание газов Промышленное получение водорода 202
Замораживание воздуха 202
Сжижение атмосферного воздуха 204
Свойства угля при температурах жидкого воздуха. Промышленное производство высоких разряжений 205
Возможные приложения свойств охлажденного угля - Производство ламп накаливания Металлические сосуды для жидкого воздуха 209
Производство жидкого кислорода вблизи водопадов 210
Применение поглотительных свойств угля при изготовлении неоновых трубок 212
Поглощение углем различных газов Аномалия водорода 213
Применение охлажденного угля для разделения благородных газов 215
Теплоемкость тел при низких температурах 216
Электрическое сопротивление металлов при низких температурах 216
Работы Каммерлинг-Оннеса Один градус от абсолютного нуля 217
Магнитные свойства металлов при низких температурах 219
Изменения окраски Фосфоресценция 219
Опыты Ж. Беккереля, П. Лебо и др 220
Применение жидкого воздуха при насадке металлических колец и т. п. 220
Применение жидкого воздуха в качестве движущей силы 221
Уменьшение химического сродства при низких температурах 223
ГЛАВА X Свойства и применения жидкого кислорода 224
Горение в жидком кислороде 225
Взрывчатость 227
Взрывчатые вещества с жидким кислородом 228
Современное положение вопроса о применении жидкого кислорода в качестве взрывчатого вещества 233
Другие применения жидкого кислорода 235
Спасательные аппараты Применение жидкого кислорода в медицине 235
Респираторы для авиаторов 239
Превращение при низких температурах кислорода в озон 240
ЧЕТВЕРТАЯ ЧАСТЬ
Разделение воздуха на составляющие его элементы
ГЛАВА XI Общие соображения Различные способы 241
Значение этой проблемы 241
Разделение воздуха на элементы требует затраты энергии 242
Различные способы для кислорода из воздуха 246
ГЛАВА XII Некоторые особенности испарения жидкого воздуха
Идея Паркинсона 247
Особенности испарения жидкого воздуха 248
Опыты Бейли 251
ГЛАВА ХIII Рекуперация холода 253
Одновременное испарение и сжижение 254
Необходимость сжимать сжижаемый воздух 258
Необходимость в добавочном холоде 259
Указатели уровня для жидкого воздуха 261
ГЛАВА XIV Различные способы последовательного испарения 263
Первый аппарат Линде (1895 г) 263
Аппарат Гамсона (1896 г) 265
Аппарат Труппа 266
Метод Пикте (1899 г) 267
ГЛАВА XV Кислород воздуха сжижается первым 268
ГЛАВА XVI Некоторые соображения по поводу сжижения газовых смесей 272
Сжижение газовых смесей при постоянной температуре 274
Графический способ Дюгема и применение его для определения соответствующих содержаний 281
ГЛАВА XVII Применение предварительного сжижения кислорода воздуха 284
Предварительная дефлегмация (1902 г) 291
ГЛАВА XVIII Ректификация 297
Аппарат Линде (1902 г) 298
Аппарат Леви и Гельброннера (1902), Пикте (1903) 300
Аппарат Ж. Клода 300
Показатели количества подачи жидкости 301
Получение двух разных жидкостей в единой жидкой ванне 301
Условия, необходимые для правильной ректификации 303
Улучшения в производстве бедной жидкости 304
Практическое применение предварительной дефлегмации Аппарат с „единым циклом" 306
Теплообменники с двумя отделениями 309
Термодинамический коэффициент полезного действия при разделении элементов воздуха путем сжижения 309
Другие методы - Повторное сжижение (Леви, Гельброннер) 312
Различные методы частичного разделения кислорода и азота во время сжижения воздуха - Принцип возрастающей самоочистки азота - Метод Р Леви (1903) 313
Производство 4hctocq азота, метод Линде 316
Новый аппарат Линде
Аппараты для жидкого кислорода 318
Аппарат Ле-Руж (О-во Г Air Liquide) 319
Аппарат Мессера 321
Аппарат Industriegas-Gesellschaft 322
Рациональная схема аппарата для жидкого кислорода 324
ГЛАВА XIX Эксплоатация аппаратов 324
Очистка воздуха 324
Очистка от углекислоты 325
Осушка охлаждением 327
Схема Линде 327
Теплообменники Ж. Клода с оттаиванием 328
Количество холода, расходуемое при сушке охлаждением 330
Пуск в ход аппарата О-ва lAir Liquide 330
Использование энергии расширения 335
Аварии, имевшие место при эксплоатации аппаратов 338
ГЛАВА XX Производство благородных газов 344
Гелий и неон 345
Определение содержания неона и гелия в атмосферном воздухе 346
Гелий, аммиак и аэронавтика 347
Гелий в Соединенных Штатах и Канаде 348
Аргон 351
Криптон и ксенон 354
ПРЕДИСЛОВИЕ
Двадцать семь лет тому назад меня называли утопистом после каждого моего публичного выступления, на котором я демонстрировал жидкий воздух и его свойства и пытался предсказать все те его применения, кроме лабораторных изысканий, которые осуществились впоследствии.
Но Жорж Клод шел в своих предположениях еще дальше меня и он был прав, - поэтому с полной верой и убеждением я мог закончить предисловие к изданной им в 1903 году книге следующими словами: „Сжижение воздуха в промышленном масштабе является не только революцией в науке, но также - и притом, главным образом - революцией экономической и социальной". Все то богатое содержание, которое Клод вложил в свой первый труд, новое издание которого он предлагает в настоящей книге, полностью подтверждает те предположения, которые я высказал 27 лет тому назад.
Это не просто изложение, это труд, который носит характер совершенно оригинальный, и в котором автор не довольствуется ролью историка в своей области.
В. продолжение многих лет Ж. Клод неустанно делал новые вклады в разрешение этого вопроса. Он создавал эти страницы не в виде поучительного описания промышленности сжижения воздуха, а главным образом, излагая свои работы и созданные им теории, которые так далеко подвинули наши познания не только в области науки, но и в области применения достижений науки в промышленности.
Я неустанно следил за всеми изысканиями Клода и самые существенные результаты сообщал в, заседаниях Академий Наук. По некоторым главам настоящей книги можно уяснить себе те пути, по которым продвигались вперед эти изыскания, и по ним можно судить о том, с какой уверенностью и быстротой двигается практика, когда ею руководит ясная, твердо обоснованная научная теория.
Клод принадлежит к тем блестящим изыскателям, у которых пытливая наблюдательность лабораторного ученого соединяется с трезвым разумом практика. Ни одна теория не имеет для него полной
ценности до того момента, пока он не получит возможности поставить ее на рельсы практического применения.
Сказанное подтверждается многими типичными примерами, приводимыми в этой книге. Укажу некоторые из них:
1) Аппарат для производства жидкого воздуха посредством расширения с производимой при этом внешней работой. Теория доказывает превосходство этого метода работы перед другими, но практическое его применение потерпело неудачу, несмотря на то, что за осуществление брались ученые и видные инженеры. „Теория всегда права, говорит Клод, и, не падая духом от неудачи постигшей его незаурядных предшественников, кропотливо анализирует, что именно в практическом применении не удовлетворяет теорию.
При этих работах им был открыт способ смазки петролейным эфиром машин, работающих при низких температурах. После этого открытия, аппарат стал работать, но давал только 0,20 литра жидкого воздуха на лошадиную силу/час. „Очевидно, теория еще недостаточно удовлетворена - решает Клод. Он тщательно изучает это явление и путем тонкого анализа устанавливает с несомненностью, что, действительно, теория не удовлетворена. Он убеждается, что при той очень низкой температуре, при которой происходит работа его машины, воздух уже не предс4авляет из себя того идеального газа, который принимается в теории: „это еще не жидкость, - говорит он „но почти уже и не газ. После этого он пытается поднять темпера-туру, при которой происходит расширение, дабы удовлетворить теорию. Он обращается к способу снижения под давлением, потом к сжижению компаунд, затем к сжижению при критической температуре кислорода и т. д.
Теория удовлетворена и выход жидкого воздуха достигает постепенно 0,66, 0,85, 0,95 л на лошадиную силу/час.
Да, теория всегда права, но... в верных руках.
2) Между точками кипения двух составных частей воздуха - кислорода и азота - существует значительная разница. Способность азота испаряться скорее кислорода послужила основанием процесса, экономно разрешающего задачу разделения этих двух газов. Мельчайшие детали процесса испарения были тщательно изучены проф. Линде, проработаны Бали и другими (и никаких разногласий при этом не возникало). Теория обратного явления, а именно, сгущение газообразного воздуха - вызывала разногласия: Дюар (Dewar) считал, что оба элемента воздуха конденсируются одновременно; Линде разделял этот взгляд. Пикте пошел еще дальше и считал, что именно азот, т. е. более летучий газ, конденсируется первым. Нужно было решить, какая из этих теорий является правильной, потому что если оба газа конденсируются одновременно, то, очевидно, надо сжижать весь воздух полностью, чтобы разделить его элементы; если же один из газов конденсируется раньше другого, то для достижения этого разделения будет достаточно частичного сжижения.
Клод был глубоко поражен теорией Дюара противоречащей основным законам физики. Как общее положение, рассуждал он, явление сжижения всегда обратно явлению испарения, й воздух может вести себя иначе, только в случае существования какой-то любопытной аномалии. Клод начинает производить опыты и результаты их полностью совпадают с его собственными предположениями и с теориями Gibbs’a, Van-der-Va al s’a и Duhem’a. Подробное изложение этого мы найдем в главе о сжижении газовых смесей.
Благодаря чрезвычайно искусному способу, Клод сумел использовать это свойство. Сжижая относительно незначительную часть обрабатываемого воздуха, он получил непосредственно, без предварительного испарения, жидкость очень богатую кислородом, содержащую почти весь кислород обрабатываемого воздуха. Этот способ заключается в, так называемых, обратных потоках. Он дает возможность полного отделения всего кислорода, содержащегося в обрабатываемом воздухе, путем сжижения только половины его.
Клод сразу же приступает к практическому применению достигнутых им усовершенствований. Результаты сразу же сказываются. Производство жидкого воздуха и разложение последнего на его элементы (впервые осуществленное проф. Линде в Германии при помощи чрезвычайно искусных, им же открытых, способов сильно развилось во Франции и других странах, благодаря методу Клода, эксплоатируемому Обществом nL’air Liquide“.
Помимо специального интереса, настоящая книга дает новое подтверждение мнению, неоднократно выраженному мною, о том, что прикладная наука может вносить поправки в недостаточно твердо обоснованные законы, установленные, так называемой, чистой наукой. Всякий физический закон можно считать реально установленным только после того, как он окажется приемлемым и в широких промышленных масштабах; в чистой науке можно ошибаться, устанавливая без особо вредных последствий недостаточно точные законы; в широкой же индустрии это явление либо совсем невозможно, либо ошибка сказывается в непродолжительном времени, приводя к краху. Именно, эти положения мноюподдерживались, когда в Академии Наук, под моим председательством, обсуждался вопрос о своевременности открытия Промышленной Секции. Работы Клода доказали мою правоту.
В заключение я счйтаю необходимым обратить внимание на одну из интереснейших частей, появляющуюся во всяком случае впервые
в настоящем издании - это главу, в которой автор излагает те затруднения, которые ему пришлось одолеть при изысканиях технически осуществимых способов попутного извлечения из воздуха содержащихся в нем, зачастую в микроскопических дозах благородных газов, получая их ввиде побочных продуктов при производстве азота и кислорода. Помимо этих чрезвычайно интересных научных изысканий, которые стали достоянием действительности, Клод не сомневается в том, что он сумеет найти новые приложения для тех чудесных свойств, которыми обладают эти благородные газы.
Д-р дАрсонваль.
Член Института.
Ножан на Марне.
16 апреля, 1925 года.
ПЕРВАЯ ЧАСТЬ.
СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ.
ГЛАВА I.
Первые этапы.
Одним из интереснейших отделов физики является тот, который трактует о сжижении газов, и, прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с задачей сжижения воздуха, мы не можем обойти молчанием те многочисленные работы, которые закончились - только в-последнее время - полным господством науки над жидким и газообразным состоянием тел.
В области сжижения газов теоретические выводы значительно опередили их практическое осуществление. Физики наблюдали, как обычные жидкости, под влиянием тепла, превращаются в пары, столь же подвижные и легкие, как и газы; под влиянием охлаждения эти пары легко возвращались в свое исходное состояние - превращаясь в жидкость. Перед учеными вставал вопрос: не являются ли также и газы - естественные или получаемые химическим путем - парами жидкостей, но жидкостей особенных, несравненно более летучих, чем обычные, и которые‘кипяг при очень низких температурах.
Не эти ли мысли занимали знаменитого Свифта, когда он сочинял следующий отрывок своего „Путешествия Гулливера“ (3-я часть, Путешествие в Лапута, гл. V - Описание академий в Лагадо
„Под началом великого ученого находилось 50 рабочих. Одни сгущали воздух, делая его осязаемым, извлекая из него азот и давая испаряться текучим и водянистым частицам и т. д.“.
Ведь это полная картина производства жидкого воздуха, кислорода и азота - и все это в 1726 году!
После Свифта понятие о способностях газов сжижаться уясняют приводимые ниже пророческие слова Лавуазье. В то время, когда
) На это любопытное сопоставление обратил мое внимание инж. Г. Стейнгель.
даже легко сжижаемые газы не могли быть приведены в жидкое состояние, знаменитый химик решился сказать:
„Если бы земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна, - вода, которая ныне образует наши реки и моря и, вероятно, значительное большинство из известных нам жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы. В этом случае воздух или, по крайней мере, часть газов, его составляющих, изменили-бы свое состояние, превратившись в жидкость из невидимого газа, который существует благодаря нахождению в среде с достаточно высокой температурой, при этом переходе воздуха из одного состояния в другое образовались бы новые, доселе даже не предугадываемые, жидкости".
Таким образом, начиная сЛавуазье, утверждается мнение, что три состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное представляют собой последовательный ряд, при чем каждое из состояний находится в зависимости от температуры окружающей среды.
Современная наука подтвердила для всех тел, по крайней мере, не разлагающихся при нагревании, полную закономерность и общность этого заключения.
Без каких-либо других предисловий, перейдем теперь к изучению вопроса о сжижении газов, предварительно вспомнив все те законы, которым подчиняется как испарение жидкостей, так и сгущение их паров.
Упругость паров жидкостей. - Пары насыщенные и ненасыщенные.
На рис. 1 изображена барометрическая трубка, заполненная ртутью и погруженная своим открытым концом в сосуд со ртутью же. При этом в пространстве Е образуется пустота; известно, что по высоте ртутного столба АВ (приблизительно 760 мм) определяется атмосферное давление. Введем в барометрическую трубку при помощи загнутой пипетки несколько капель какой-нибудь жидкости: воды, спирта и т. д. Эта жидкость, достигнув свободной поверхности ртути, испарится в пустом пространстве Еу и мы увидим, что уровень ртути, под влиянием образовавшихся паров, понизится от первоначального уровня В до нового уровня С (рис. 2). Высота ВС определяет силу упругости или давление образовавшихся паров при тех условиях, при которых производится опыт. При производстве этого опыта возможны 2 варианта:
1) В трубку вводится жидкость в избыточном количестве; в этом случае испарится только часть этой жидкости. В барометрическом
пространстве Е будет содержаться то максимальное количество паров, которое оно может вместить, т. е. пар будет, как принято называть, г насыщенным. Понижение уровня ртути в этом случае будет максимальным и интересно отметить, что это понижение при данной температуре является величиной строго определенной и постоянной, независимо от количества излишка жидкости, введенного в трубку. Можно сказать, что упругость насыщенного пара при определенной температуре является постоянной физической величиной и характеризует жидкость в такой же степени, как ее характеризуют плотность или точка кипения.
2) Введенная в трубку жидкость испаряется полностью, следовательно, количество ее оказалось недостаточным для образования того количества пара, которое может вместиться в трубку. В данном случае степень понижения уровня ртути не будет представлять собой определенной величины, как это было в первом случае, и будет зависеть от количества введенной жидкости. И совершенно ясно, что если было введено незначительное количество жидкости, то и понижение уровня ртути будет незначительным.
Таким образом, давление ненасыщенного пара не представляет собою определенной величины и может изменяться в зависимости от количества введенной жидкости в пределах рИс. 1, 2 и 3.
К сущности понятия ненасыщенного пара мы должны отнестись с должным вниманием, ибо, как впоследствии узнаем, газы представляют собою явление того же порядка, т. е. являются ненасыщенными парами.
Изменения упругости паров различных жидкостей в зависимости от свойств последних и их температуры.
Упругость паров различных жидкостей при равной температуре тем больше, чем более летучи эти жидкости. Так, например, упругость паров воды при 20е равна 17,4 мм, т. е., иначе говоря, при 20° уровень столбика ртути (в барометрической трубке) понижается при введении в трубку воды на 17,4 мм; упругость паров обыкновенного спирта при той же температуре равна 44 мм, паров древесного спирта - 95 мм и паров эфира - 442 мм; последовательность этих цифр одновременно показывает нам и порядок летучести этих жидкостей.
С другой стороны, упругость паров "одной и той же жидкости быстро возрастает при увеличении температуры. Попробуем постепенно подогревать нашу барометрическую трубку Э- под влиянием все увеличивающегося испарения жидкости, пары которой поднимаются над ртутью, уровень последней будет понижаться с возрастающей скоростью и упругость водяных паров при 30° будет равна 31,5 мм, при 50° - 92 мм и при 75° - 288,5 мм.
Продолжая повышение температуры, мы увидим, что понижение уровня ртути еще ускорится, и в определенный момент (рис. 3), под влиянием насыщенного пара жидкости (которая находится в трубке все время в избыточном количестве), уровень ртути, находящейся в барометрической трубке, дойдет до уровня ртути в сосуде А (рис. 3), Очевидно, в этот момент упругость паров будет точно уравновешивать атмосферное давление и будет, следовательно, равна 760 мм.
Если в этот момент измерим температуру, то увидим, что она равна 100°, т. е. температуре кипения воды при атмосферном давлении. Это чрезвычайно интересное явление мы формулируем сле^ дующим образом:
Температура кипения жидкости при атмосферном давлении является вместе с тем и той температурой, при которой упругость паров этой жидкости равна одной атмосфере.
Все законы природы имеют свой глубокий смысл, но нам так редко представляется возможность их разгадывать, что каждый такой случай следует отмечать. Здесь мы имеем этот случай. Как очень
9 Для этого следует барометрическую трубку, показанную на рис. 1 - 3 и 5 - 13г прикрыть стеклянной муфтой, и между внутренней стенкой муфты и внешней стенкою трубки прогонять воду или какую-либо другую жидкость, нагретую до желаемой температуры.
хорошо известно, только тогда начинают образовываться в жидкостгг пузыри, наблюдаемые обыкновенно при кипении, когда пары получают возможность своей упругостью уравновешивать атмосферное давление, действующее на жидкость.
До того момента, пока упругость паров не достигнет этой величины, не могут образовываться пузырьки пара, и мы наблюдаем только медленное поверхностное испарение, но не кипение.
Теплота испарения.
Рассмотрим явления, происходящие при нагревании жидкости в открытом сосуде. Известно, что температура этой жидкости будет беспрерывно подниматься до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения, после чего повышение температуры сразу приостановится, как бы ни был силен источник нагревания. Изменение физического состояния жидкости, с одной стороны, и, с другой стороны, громадное увеличение ее объема, происходящее во время парообразования с преодолеванием противодействия атмосферного давления, требуют затраты значительной энергии, которая получается за счет значительного поглощения тепла. Некоторое отдаленное представление о количестве тепла, затрачиваемого при парообразовании, дает нам то ощущение холода, которое испытывает на себе всякий, вы-ходя из ванны, когда происходит медленное испарение воды, остав шейся на теле.
До того момента, пока нагреваемая нами жидкость не закипела, слабое поверхностное испарение вызывает соответственно слабое поглощение тепла, и почти все тепло, выделяемое источником нагревания, расходуется на постепенное нагревание жидкости. С того же момента, когда началось кипение, поглощение тепла для образования паров становится громадным, и все тепло нагревателя, независимо от его мощности, уходит на процесс парообразования.
Количество тепла, необходимое для превращения в пар одной весовой единицы кипящей жидкости, называется теплотой испарения. По Реньо (Regnaul t) для воды при 100° она равна 537 калорий на 1 т. Количество, поистине, колоссальное!
А ведь эта цифра обозначает, что вода, уже нагретая до 100°, без дальнейшего повышения температуры при переходе из жидкости в газ той же температуры, поглощает количество тепла почти в 5,5 раз большее, чем то, которое было поглощено водой для перехода от температуры таяния льда к температуре кипения. В этом отношении, как и во многих других, вода представляет собою особенную жидкость;.
это видно из нижеследующей таблицы, в которой указаны температуры.кипения и теплоты испарения различных жидкостей.
Необходимость холода для существования сжиженных газов при атмосферном давлении. Заметим, что в открыток сосуде невозможно нагреть жидкость выше ее точки кипения, так как усилением нагревания мы можем вызвать только более бурное кипение, но не превысить температуру кипения. Другими словами, ни одна химически чистая жидкость не может в нормальных условиях существовать под давлением атмосферы при температуре, превышающей точку кипения данной жидкости х).
Если правильны заключения физиков, рассматривающих газы, как пары чрезвычайно летучих жидкостей, то эти газы уже при очень низких температурах обладают необходимой для кипения упругостью, равной одной атмосфере, и вследствие этого эти жидкости могут существовать под давлением атмосферы только при очень низких температурах.
Таким образом, мы постигаем сущность той роли холода для сжижения газов, которую предсказал Лавуазье. В том, насколько велико значение холода, мы убедимся далее, когда увидим, что во всех случаях, единственное обстоятельство, достаточное само по себе для достижения сжижения во всех случаях, это действие холода: ни один газ, даже гелий, не сможет противостоять достаточному холоду. Нет никакого сомнения, что физики, занимавшиеся этой интересной проблемой, очень приблизились бы к решению ее, если бы приняли это положение.
Правда, получение очень низких температур могло бы им показаться одним из наибольших затруднений в физике. Но увеличив свои усилия - а поставленная проблема достойна этого - нет никакого сомнения, что, вследствие большого прогресса физики, они открыли бы те удивительно простые способы, которые служат нам сейчас для получения глубокого холода.
) Присутствие в жидкости посторонних примесей и, в особенности, растворенных солей может заметно повышать точку кипения. Иногда получается явление неустойчивого равновесия, называемое „перегревом" жидкости.
Влияние давления на температуру кипения.
а) Уменьшение давления. Мы только что видели, что при нагре-вании какой-либо жидкости под давлением атмосферы, кипение начинается в тот момент, когда постепенно увеличивающаяся упругость-паров достигает величины, уравновешивающей атмосферное давление.
Уменьшим действующее на жидкость давление, поместив ее в закрытый сосуд, из которого частично выкачан воздух; ясно, что более низкая упругость пара при низшей температуре сможет преодолеть существующее уменьшенное давление и тем самым вызвать кипение: температура кипения при этих условиях окажется ниже
нормальной, й чем совершеннее пустота в сосуде, заключающем- нашу жидкость, тем температура кипения соответственно ниже.
Сама природа в некоторых случаях подтверждает правильность изложенного. На вершинах гор, например, мы имеем давление ниже атмосферного, при чем понижение давления равно давлению столба воздуха от подошвы горы до ее вершины. При восхождении С о с с ю р а на Монблан, знаменитого альпиниста поразило то обстоятельство, что на обледенелой вершине альпийского колосса, он с большим трудом мог сварить в кипящей воде яйца вкрутую, - настолько была там понижена температура кипения воды.
Вот другой, еще более разительный пример!
При действии воздушного насоса, постепенно увеличивающего разрежение в сосуде с водой, температура кипения воды может упасть ниже точки замерзания: при таких условиях яйца вкрутую становятся в действительности мифом! А ведь для хорошего воздушного насоса не представляет особой трудности поддерживать над жидкостью, заключенной в закрытый сосуд, давление в 1-2 мм\ и так как при 0° упругость паров воды равна 4,6 лш, то, очевидно, вода при этой температуре и при указанном давлении должна закипеть, так как упругость паров воды в этих условиях значительно превосходит давление, существующее в сосуде.
Холодильные машины, построенные на принципе испарения. Из сказанного очевидно, что испарение, происходящее в описанных условиях может служит источником очень значительного охлаждения.
Если, например, соединить сосуд, наполненный водой, с вакуум-насосом достаточной мощности и заставить последний работать, то по истечении некоторого времени вода бурно закипит, так как наступит момент, когда при той температуре, при которой находится вода, упругость ее паров превысит то уменьшенное давление, которое поддерживается действием насоса. Так как в данном случае теплота, поглощаемая испарением (стр. 11) и уходящая вместе с парами, доставляется не каким-либо посторонним источником, а заимствуется из самой жидкости, то последняя довольно быстро охлаждается; ввиду того, что давление поддерживается беспрерывно действующим насосом ниже упругости пара, несмотря на уменьшение последней по мере понижения температуры жидкости, то кипение будет продолжаться, охлаждение усиливаться, и благодаря этому в определенный момент жидкость превратится в твердое тело.
Этот красивый опыт послужил основанием при конструировании -ледоделательных. машин. Так, например, в ледоделательной машине Карре в основание положен принцип поглощения паров воды серной кислотой (жадность, с которой вода соединяется с серной кислотой общеизвестна). Тот же принцип заложен в исключительной машине, настоящего борца за здравый смысл, знаменитого инженера Леблана, в которой выполнение работы по замораживанию воды было возложено... на струю пара. Эта струя пара, посредством инжектора Ж и ф ф а р а создавала разрежение воздуха и великолепно действовала в моделях, построенных фирмой Вестингауз, экономично замора живая десятки центнеров в час!
Таким образом, мы видим, что если при помощи воздушного насоса поддерживать определенное разрежение над жидкостью, последняя быстро доходит до температуры, при которой упругость пара приблизительно равна пониженному давлению, поддерживаемому воздушным насосом, и, пока упругость пара превышает давление, жидкость кипит и при этом продолжает охлаждаться. Если же жидкость очень летуча, т. е. если пары ее до самых низких температур имеют достаточную упругость, то эти низкие температуры могут быть получены путем простого испарения такой жидкости в вакууме.
Так, например, серный эфир, упругость паров которого при - 40° еще превышает 5 мм, может быть охлажден ниже этой температуры, путем простого испарения под давлением в 5 мм 1).
Но вместо того, чтобы получать в сильно разреженной атмосфере очень низкую температуру путем испарения очень летучей жидкости, часто имеет смысл получать не столь уж низкую температуру, пользуясь для этого и не слишком сильным разрежением. Возьмем для примера тот же серный эфир, упругость паров которого при - 10° равна 111 мм; эта довольно низкая температура может быть легко достигнута испарением жидкости при сравнительно незначительном разрежении, которое без особого труда создадут воздушные насосы значительно менее мощные и менее сложные, чем те, которые понадобились бы для воды.
Можно легко себе представить, что для разрежения пара до давления, например, 2 мм ртутного столба нужно будет затратить значительную работу, и для получения положительных результатов потребуются насосы огромных объемов.
Испарение летучих жидкостей сделалось в настоящее время наиболее распространенным способом, применяемым для получения холода и этот принцип используется в очень широких масштабах в практике холодильного дела в тысячах машин: как например, в машинах с хлористым метилом, сернистым ангидридом, аммиачных, углекислотных и т. д.
б) Действие повышения давления. Мы уже видели, что с уменьшением давления, под которым находится жидкость, понижается температура ее кипения. Наоборот, будем увеличивать давление: мы увидим, что для того, чтобы сообщит парам этой жидкости упругость, преодолевающую это давление, нам придется нагреть жидкость выше той температуры, чем это понадобилось бы при нормальных условиях. И чем больше будет давление, тем выше будет температура кипения.
Вот почему в паровых котлах вода при давлении в 15 атмосфер закипает только при 199°, а в котле автомобилей Серполлет, где давление часто доходит до 50 атмосфер, температура кипения поднимается до 265°. Очевидно, с небольшими познаниями некоторых законов природы можно расплавлять в воде не только олово, но и свинец!
Заметим, что то повышенное давление, которое следует приложить к нагреваемой жидкости, для повышения ее температуры кипения, образует сама жидкость, если только последняя заключена в закрытом сосуде. Очевидно, что в этом случае над поверхностью жидкости автоматически устанавливается давление, равное в каждый данный момент упругости скопляющихся над жидкостью паров.
Следует заметить, что при этих условиях, которые аналогичны тем, которые существуют в паровом котле при разведении паров, кипение воды не может начаться до тех пор, пока не выпустят часть пара. Упругость пара в данном случае соответствует испытанному жидкостью давлению, и последнее, вследствие этого, не может быть преодолено. Пока тепло, доставляемое топкой, не удаляется с расходуемым паром, оно почти полностью уходит на нагревание жидкости; при этом температура подымается довольно быстро, а одновременно с температурой жидкости возрастает упругость ее паров, а вследствие этого и давление. И только тогда, когда давление уже значительно повышено, выпуская часть пара и понижая тем самым давление, создают вследствие этого условия, при которых упругость пара несколько превышает давление, что дает возможность начаться кипению. Тогда давление перестает повышаться, так как тепло, доставляемое топкой, расходуется вместе с уходящим паром.
Нижепомещенная таблица, составленная R е g n a u 11, показывает те громадные колебания температуры кипения воды, которые находятся в зависимости от давления. Собственно говоря, при составлении этой таблицы преследовалась цель указать упругость паров воды при соответствующих температурах; но мы знаем уже, что эти величины (упругость пара и температура кипения) связаны между собою, и что кипение начинается в тот момент, когда разность между испытываемым жидкостью давлением и упругостью ее паров становится бесконечно малой.
Эти данные графически изображены на рис. 4. На этой же диаграмме нанесены соответствующие кривые и для других жидкостей и чрезвычайно интересно отметить, что эти кривые, отклоняясь одна от другой в зависимости от температуры, обращают на себя внимание однородностью своего характера.
Мы подробнее остановимся на этом, при рассмотрении работ Вандер-Ваальса (глава V).
Возможность использования давления вместо охлаждения при получении некоторых сжиженных газов. Мы уже видели (стр. 12), что существование какой-либо жидкости на открытом воздухе невозможно при температуре выше точки кипения данной жидкости; из этого мы сделали вывод, что газы представляют собою пары гипотетических жидкостей, могущих существовать на открытом воздухе только при очень большом холоде, а отсюда, получение чрезвычайно низких температур могло нам казаться неизбежной необходимостью для сжижения газов.
Мы уже видели, что повышение давления является тем средством, которое дает возможность поднимать температуру жидкости выше - и даже значительно выше - ее точки кипения при атмосферном давлении. Это положение, которое нам кажется сейчас чрезвычайно простым, дало ученым прошлого века много успехов, но в то же время было причиной многих бесплодных усилий.
Рис. 4. Диаграмма изменения упругости паров в зависимости от температуры.
I - хлористый метил, II-сернистый ангидрид, III - эфир, IV - вода.
Предположим, что имеем гипотетическую жидкость соответствующую какому-нибудь определенному газу: естественно, что эта жидкость под атмосферным давлением существует только при очень низкой температуре; но если мы эту жидкость заключим в закрытый сосуд, то сможем подвергнуть ее нагреванию и повысившееся при этом давление поднимет и температуру ее кипения. Если наш опыт продолжить до получения значительных, а в случае необходимости и громадных давлений, то нет видимых оснований предполагать, что мы не сможем поднять таким образом температуру нашей жидкости до температуры окружающей среды. Существование подобной жидкости при температуре окружающей среды не было бы невозможным, если бы она сохранялась под достаточным давлением, и отсюда можно понять, что помимо всякого охлаждения достаточно настоящий газ надлежащим образом подвергнуть повышенному давлению, чтобы вызвать его сжижение.
Сейчас мы увидим смысл этого заключения; мы увидим, повторяю, все удовлетворение, но также и разочарование, которое оно принесло ученым; но. прежде всего установим, что такое „надлежащие" условия для сжижения.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
СЖИЖЕНИЕ ВОЗДУХА
СЖИЖЕНИЕ ВОЗДУХА , процесс, достигаемый путем охлаждения воздуха до критической температуры -147 °С, при которой или ниже нее воздух под давлением превращается в жидкость. После повторного сжатия, за которым следует АДИАБАТИЧЕСКОЕ расширение, при этой температуре, согласно ЭФФЕКТУ ДЖОУЛЯ-ТОМПСОНА, появляются капли воды.
Научно-технический энциклопедический словарь .
Смотреть что такое "СЖИЖЕНИЕ ВОЗДУХА" в других словарях:
Включает в себя несколько стадий, необходимых для перевода газа в жидкое состояние. Эти процессы используются для научных, промышленных и коммерческих целей. Все газы могут быть приведены в жидкое состояние путём простого охлаждения при… … Википедия
Переход вещества из газообразного состояния в жидкое. С. г. достигается охлаждением их ниже критической температуры (См. Критическая температура) (Тк) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации).… … Большая советская энциклопедия
Не могло бы считаться вполне изученным, если бы не были получены недавно Дьюаром в жидком виде наиболее трудно сгущаемые из них, а именно водород и гелий. В ст. Газы сжиженные (см.) приведена история вопроса о С. газов и уже описано получение… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Светло синий цвет жидкого кислорода в сосуде Дьюара. Жидкий кислород (ЖК, англ. Liquid oxygen, LOX) жидкость бледно синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. ЖК… … Википедия
O (oxygenium), химический элемент VIA подгруппы периодической системы элементов: O, S, Se, Te, Po член семейства халькогенов. Это наиболее распространенный в природе элемент, его содержание составляет в атмосфере Земли 21% (об.), в земной коре в… … Энциклопедия Кольера
Природный газ - (Natural gas) Природный газ это один из самых распространенных энергоносителей Определение и применение газа, физические и химические свойства природного газа Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора
Во времена Лавуазье (см. это имя) переход Г. в жидкое и твердое состояние казался весьма вероятным, так как при химических реакциях часто совершается подобная перемена физического состояния (Oeuvres de Lavoisier , т. II 804). В начале XIX… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
- (хим., Ozon нем., Ozone франц. и англ.) газообразное тело, представляет пока единственный случай аллотропического видоизменения элементарного газообразного вещества; это кислород, в частице которого не два атома, а три. Образование его из… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
ГАЗЫ - ГАЗЫ, вещества, находящиеся в состоянии, характеризующемся тем, что молекулы вещества удалены на большие расстояния друг от друга и силы взаимодействия между молекулами очень невелики. Экспериментальные исследования вещества в газовом состоянии… … Большая медицинская энциклопедия
Когда было выяснено, что для сжижения газов нужно охлаждение их ниже критической температуры, усилия исследователей были направлены на разработку способов получения низких температур. Эти усилия увенчались успехом, и в настоящее время имеется ряд машин для получения всех без исключения газов в жидком виде. Эти машины, в особенности машины для сжижения воздуха, получили широкое распространение в технике.
Сжижение воздуха используется в технике для разделения его на составные части. Разделение достигается при испарении жидкого воздуха. При этом сначала испаряются составные части воздуха, имеющие более низкую температуру кипения: неон, азот, а затем аргон, кислород. Дело происходит совершенно так же, как, например, при отделении более легко кипящего спирта от воды путем перегонки. Полученные газы находят себе широкое применение: а) азот идет для получения аммиака; б) аргон, неон и другие инертные газы употребляются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп; в) кислород служит для многих целей: смешивая его с ацетиленом (или с водородом) и сжигая эту смесь, получают пламя, имеющее высокую температуру и употребляющееся для сварки и резки металлов (рис. 499). Большое значение приобрело кислородное дутье для ускорения металлургических процессов; кислород используют также и для медицинских целей.
Рис. 499. Автогенная сварка металлов. К горелке 1 поступают из баллонов по двум трубкам кислород и ацетилен; проволока 2 плавится в кислородно-ацетиленовом пламени и заливает свариваемый шов
Кроме того, жидкий кислород употребляется во взрывной технике. Смесь жидкого кислорода с опилками, сажей, нафталином и другими легко окисляемыми веществами представляет собой взрывчатое вещество громадной силы (оксиликвит). Взрыв происходит потому, что в присутствии кислорода, находящегося в жидком состоянии и, следовательно, занимающего малый объем, сгорание этих веществ протекает очень быстро. При сгорании происходит сильное нагревание, продукты реакции получаются газообразные (углекислота), происходит мгновенное и очень сильное расширение - взрыв. Это взрывчатое вещество имеет то преимущество, что по испарении кислорода оно перестает быть опасным.
Машины для получения жидкого воздуха бывают различных типов. Мы опишем здесь схему машины, действие которой основано на охлаждении сильно сжатого воздуха при его расширении (§ 225). Воздух поступает в компрессор 1 (рис. 500); здесь его сжимают до давления в несколько десятков атмосфер. При этом он нагревается. Из компрессора 1 воздух поступает в теплообменник 2, где он охлаждается проточной водой до первоначальной температуры и затем идет в детандер 3 (расширитель). Детандер представляет собой цилиндр с поршнем. В детандере воздух расширяется. При этом он выталкивает поршень и совершает работу. Внутренняя энергия воздуха расходуется на эту работу, и температура его падает настолько сильно, что он конденсируется в жидкость; сжиженный воздух собирается в сосуде 4.
Рис. 500. Схема машины для получения жидкого воздуха
Иногда детандеры осуществляются не в виде цилиндра с поршнем, а в виде турбины (турбодетандер П. Л. Капицы), в которой происходит расширение газа, производящего работу вращения турбины. Весьма важно, что ротор (вращающаяся часть турбины) во время работы машины «висит» в потоке расширяющегося газа, не касаясь стенок турбины. Вследствие этого отпадает необходимость смазки, что очень существенно, так как подбор смазки для частей машин, работающих при столь низких температурах, крайне затруднителен. Обычные смазки при низких температурах затвердевают. Кроме того, достоинством машин для сжижения газов, сконструированных П. Л. Капицей, является их высокая производительность при относительно малых размерах.
Температура кипения жидкого воздуха очень низка. При атмосферном давлении она равна . Поэтому жидкий воздух в открытом сосуде, когда давление его паров равняется атмосферному, кипит, пока температура его не понизится ниже . Так как окружающие тела значительно теплее, то приток теплоты к жидкому воздуху, если бы он хранился в обычных сосудах, был бы настолько значителен, что за очень короткий срок весь жидкий воздух испарился бы. Поэтому его сохраняют в специальных сосудах, создающих хорошую защиту от доступа теплоты извне. Это - сосуды того же типа, что и обычные термосы. Они представляют собой стеклянные или металлические сосуды с двойными стенками (рис. 501), из пространства между которыми воздух тщательно удален. Переход теплоты через такое пространство с очень разреженным газом крайне затруднен. С целью предохранения от нагревания лучами внутренние стенки полости делаются блестящими (посеребренными). Такие сосуды для хранения жидкого воздуха были предложены Дьюаром. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух испаряется настолько медленно, что его можно сохранять два, три дня и больше.
Рис. 501. Разрез сосуда Дьюара. Снизу виден конец трубки, через которую при изготовлении сосуда откачивался воздух из пространства между стенками и которая по окончании откачки отпаяна
Для того чтобы, несмотря на непрерывный, хотя и медленный приток теплоты, сжиженный газ не нагревался, он должен оставаться в открытом сосуде, чтобы иметь возможность постепенно испаряться. Вследствие затраты теплоты на испарение сжиженный газ остается все время холодным. Если закупорить сосуд Дьюара, т. е. воспрепятствовать испарению, то сжиженный газ нагреется и давление его паров возрастет настолько, что разорвет сосуд. Если бы сосуд был весьма прочным, например стальной баллон, вроде изображенного на рис. 375, то сжиженный газ нагрелся бы постепенно до температуры выше критической и перешел бы в газообразное состояние. Таким образом, единственный способ длительного сохранения сжиженного газа - это применение открытых сосудов Дьюара.
Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если только его температура ниже критической. Поэтому деление веществ на жидкости и газы в значительной мере условно. Те вещества, которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критические температуры и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могут находиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами к жидкостям, критические температуры велики.
Первый газ (аммиак) был обращен в жидкость уже в 1799 г. Дальнейшие успехи в сжижении газов связаны с именем анг- лийского физика М. Фарадея (1791-1867), который сжижал газы путем их одновременного охлаждения и сжатия.
Ко второй половине XIX в. из всех известных в то время газов остались не обращенными в жидкость только шесть: водород, кислород, азот, оксид азота, оксид углерода и метан, - их назвали постоянными газами. Задержка в сжижении этих газов еще на четверть столетия произошла потому, что техника понижения температуры была развита слабо, и они не могли быть охлаждены до температуры ниже критической. Когда физики научились получать температуры порядка 1 К, удалось все газы, в том числе и гелий, обратить не только в жидкое, но и в твердое состояние.
Установки для сжижения газов
Существует много типов машин для получения жидких газов, в частности жидкого воздуха. В современных промышленных установках значительное охлаждение достигается путем расширения газа в условиях теплоизоляции (адиабатное расширение).
Такие машины называют детандерами (расширителями). Расширяющийся газ совершает работу, перемещая поршень (поршневые детандеры) или вращая турбину (турбинные детандеры), за счет своей внутренней энергии и поэтому охлаждается.
Высокопроизводительные турбодетандеры низкого давления были разработаны академиком П. Л. Капицей. Начиная с 50-х годов все крупные установки в мире для сжижения воздуха работают по схеме Капицы.
Капица Петр Леонидович (1894- 1984) - знаменитый советский физик; лауреат Нобелевской премии; ученик Э. Резерфорда.
Капица открыл сверхтекучесть жидкого гелия, разработал новые промышленные методы сжижения газов. Большое значение имеют работы Капицы по созданию сверхсильных магнитных полей и электронных генераторов больших мощностей.
На рисунке 6.14 приведена упрощенная схема поршневого детандера. Атмосферный воздух поступает в компрессор 1, где сжимается до давления в несколько десятков атмосфер. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в теплообменнике 2 проточной водой и поступает в цилиндр детандера 3. Здесь он, расширяясь, совершает работу, толкая поршень, и охлаждается настолько сильно, что конденсируется в жидкость. Сжиженный воздух поступает в сосуд 4.
Воздух
Температура кипения жидкого воздуха очень низка. При атмосферном давлении она составляет -193 °С. Поэтому жидкий воздух в открытом сосуде, когда давление его паров равно атмосферному давлению, кипит. Так как окружающие тела значительно теплее, то приток теплоты к жидкому воздуху, если бы он хранился в обычных сосудах, был бы настолько значителен, что за очень короткий срок весь жидкий воздух испарился бы.
Хранение жидких газов
Рис. 6.15
Чтобы сохранить воздух в жидком состоянии, надо воспре-пятствовать его теплообмену с окружающей средой. С этой целью жидкий воздух (и другие жидкие газы) помещают в особые сосуды, называемые сосудами Дьюара. Сосуд Дьюара устроен так же, как и обычный термос. Он имеет двойные стеклянные стенки, из пространства между которыми выка- чан воздух (рис. 6.15). Это уменьшает теплопроводность сосуда. Внутреннюю стенку делают блестящей (посеребренной) для уменьшения нагревания излу-чением. У сосудов Дьюара узкое горлышко, при хранении в них сжиженных газов их оставляют открытыми, чтобы содержащийся в сосуде газ имел возможность постепенно испаряться. Благодаря затрате теплоты на испарение сжиженный газ остается все время холодным. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух сохраняется в течение нескольких недель.
Применение сжиженных газов
Сжижение газов имеет техническое и научное значение. Сжижение воздуха используется в технике для разделения воздуха на составные части. Метод основан на том, что различные газы, из которых воздух состоит, кипят при различных температурах. Наиболее низкие температуры кипения имеют гелий, неон, азот, аргон. У кислорода температура кипения несколько выше, чем у аргона. Поэтому сначала испаряется гелий, неон, азот, а затем аргон, кислород.
Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идет для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он дает пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутье) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород облегчает страдания больных. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет. Двигатели ракеты-носителя, поднявшей в космос первого космонавта Ю. А. Гагарина, работали на жидком кислороде.
Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн-5» требуется 90 т жидкого водорода. Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объеме заключается большее количество вещества. Так доставляют в стальных баллонах жидкую углекислоту на заводы газированных вод.
Жидкий аммиак нашел широкое применение в холодильниках - огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.
Значение сжижения газов для научных исследований
Превращение всех газов в жидкое состояние лишний раз подтвердило единство в строении веществ. Оно показало, что состояние вещества зависит от его температуры и давления, а не определено раз и навсегда для данного тела.
С другой стороны, достигнутые при сжижении газов низкие температуры широко раздвинули границы научных исследований и позволили обнаружить изменение многих свойств веществ при сверхнизких температурах. Упругие тела, сделанные из каучука, становятся при этих температурах хрупкими, как стекло. Кусок резины после охлаждения в жидком воздухе легко ломается, а резиновый мячик при ударе разбивается вдребезги. Ртуть и цинк при низких температурах делаются ковкими, а свинец - пластический металл - упругим, как сталь. Колокольчик, сделанный из свинца, звенит. Очень многие вещества (спирт, яичная скорлупа и др.) после освещения их белым светом создают собственное излучение различного цвета (преимущественно зелено-желтого).
При низких температурах интенсивность теплового движения резко уменьшается, поэтому оказывается возможным наблюдение целого ряда явлений, скрытых при более высоких температурах тепловым движением молекул.
При температурах, близких к абсолютному нулю, сильно изменяются электрические свойства некоторых металлов и сплавов: их сопротивление электрическому току становится равным нулю. Это явление, называемое сверхпроводимостью, открыто Г. Камерлинг-Оннесом в 1911 г. При температуре 2,2 К в жидком гелии исчезает вязкость, т. е. он приобретает свойство сверхтекучести. Сверхтекучесть открыл П. JI. Капица в 1938 г.
Такие газы, как азот, кислород, водород, гелий, могут находиться в жидком состоянии только при очень низких температурах. При таких температурах обнаруживаются особые свойства веществ, маскируемые в обычных условиях тепловым движением молекул. Эти свойства находят применение как в науке, так и в технике.
