Kapitsa Petras Leonidovičius(1894- 1984) – garsus sovietų fizikas; Nobelio premijos laureatas; E. Rutherfordo mokinys.

Kapitsa atrado skysto helio skystumą ir sukūrė naujus pramoninius dujų suskystinimo metodus. „Kapitsa“ darbas kuriant itin stiprius magnetinius laukus ir didelės galios elektroninius generatorius yra labai svarbus.

Yra daug tipų mašinų, skirtų skystoms dujoms, ypač skystam orui, gaminti. Šiuolaikiniuose pramoniniuose įrenginiuose reikšmingas aušinimas pasiekiamas plečiant dujas šilumos izoliacijos sąlygomis (adiabatinis plėtimasis).

Tokios mašinos vadinamos plėtikliais. Besiplečiančios dujos veikia judindamos stūmoklį (stūmoklinius plėtiklius) arba sukant turbiną (turbinos plėtikliai), naudodamos savo vidinę energiją, todėl yra aušinamos.

Didelio našumo turboekspanderiai žemas spaudimas sukūrė akademikas P. L. Kapitsa. Nuo šeštojo dešimtmečio visi dideli oro skystinimo įrenginiai pasaulyje veikė pagal Kapitsa schemą.

6.14 pav. parodyta supaprastinta stūmoklinio plėtiklio schema. Atmosferos oras patenka į kompresorių 1 , kur jis suspaudžiamas iki kelių dešimčių atmosferų slėgio. Suspaudimu šildomas oras aušinamas šilumokaityje 2 tekantis vanduo ir patenka į plėtiklio cilindrą 3. Čia, išsiplėsdamas, jis veikia stumdamas stūmoklį ir tiek atvėsta, kad kondensuojasi į skystį. Suskystintas oras patenka į indą 4.

Skysto oro virimo temperatūra yra labai žema. Esant atmosferos slėgiui -193 °C. Todėl skystas oras atvirame inde, kai jo garų slėgis lygus Atmosferos slėgis, verdant. Kadangi aplinkiniai kūnai yra daug šiltesni, šilumos srautas į skystą orą, jei jis būtų kaupiamas įprastuose induose, būtų toks didelis, kad per labai trumpą laiką visas skystas oras išgaruotų.

Skystųjų dujų laikymas

Norint išlaikyti orą skystoje būsenoje, būtina užkirsti kelią jo šilumos mainams aplinką. Šiuo tikslu skystas oras (ir kitos skystos dujos) dedamas į specialius indus, vadinamus Dewar kolbomis. Dewar kolba yra sukurta taip pat, kaip ir įprastas termosas. Ji turi dvigubas stiklines sieneles, iš tarpo tarp kurių išpumpuojamas oras (6.15 pav.). Tai sumažina indo šilumos laidumą. Vidinė sienelė yra blizga (sidabruota), kad sumažintų šildymą spinduliuote. Dewar kolbos turi siaurą kaklelį, kai jose laikomos suskystintomis dujomis jie paliekami atviri, kad dujos, esančios inde, turėtų galimybę palaipsniui išgaruoti. Dėl garavimo prarandamos šilumos suskystintos dujos visą laiką išlieka šaltos. Geroje Dewar kolboje skystas oras gali būti laikomas kelias savaites.

Suskystintų dujų taikymas

Dujų suskystinimas turi techninę ir mokslinę reikšmę. Oro suskystinimas technologijoje naudojamas orui atskirti į sudedamąsias dalis. Metodas pagrįstas tuo, kad įvairios dujos, sudarančios orą, verda skirtingomis temperatūromis. Helis, neonas, azotas ir argonas turi žemiausią virimo temperatūrą. Deguonis turi šiek tiek aukštesnę virimo temperatūrą nei argonas. Todėl pirmiausia išgarinamas helis, neonas, azotas, o po to argonas ir deguonis.

Suskystintos dujos plačiai naudojamos technologijoje. Azotas naudojamas amoniakui ir azoto druskoms gaminti Žemdirbystė dirvai tręšti. Argonas, neonas ir kitos inertinės dujos naudojamos kaitrinėms elektros lempoms, taip pat dujų šviesos lempoms užpildyti. Dauguma programų turi deguonies. Sumaišius su acetilenu arba vandeniliu, susidaro labai aukštos temperatūros liepsna, naudojama metalams pjauti ir suvirinti. Deguonies įpurškimas (deguonies sprogimas) pagreitina metalurgijos procesus. Iš vaistinių pristatomas deguonis pagalvėse palengvina pacientų kančias. Ypač svarbu naudoti skystą deguonį kaip oksidatorių kosminių raketų varikliams. Pirmąjį kosmonautą Yu iškėlusios raketos varikliai veikė skystuoju deguonimi.

Skystas vandenilis naudojamas kaip kuras kosminėse raketose. Pavyzdžiui, norint papildyti amerikietišką raketą „Saturn 5“, reikia 90 tonų skysto vandenilio.

Pramonėje, medicinoje ir kt. naudojamas dujas lengviau transportuoti, kai jos yra suskystintos, nes tame pačiame tūryje yra didesnis medžiagos kiekis. Taip skystas anglies dioksidas plieniniuose balionuose pristatomas į gazuoto vandens gamyklas.

Skystas amoniakas plačiai naudojamas šaldytuvuose – didžiuliuose sandėliuose, kuriuose laikomi greitai gendantys maisto produktai. Atšaldymas, atsirandantis išgaruojant suskystintoms dujoms, naudojamas šaldytuvuose transportuojant greitai gendančius produktus.

TURINYS

3 pratarmė

PIRMA DALIS
Dujų suskystinimas

I SKYRIUS Pirmieji etapai 7
Skysčių garų slėgis – sotieji ir nesotieji garai 8
Įvairių skysčių garų slėgio pokyčiai priklausomai nuo pastarųjų savybių ir jų temperatūros 10
Garavimo šiluma 11
Šalčio poreikis suskystintoms dujoms esant atmosferos slėgiui egzistuoti 12
Slėgio įtaka virimo temperatūrai 13
Slėgio mažinimas 13
Garavimo principu veikiančios šaldymo mašinos 13
Slėgio padidėjimas 15
Galimybė naudoti slėgį, o ne aušinimą gaminant kai kurias suskystintas dujas 16
Sočiųjų garų pavertimas skysčiu veikiant slėgiui, viršijančiam jo elastingumą 18
Garavimo ir suskystėjimo reiškinių grįžtamumas 20
Suskystinimo šiluma 21
Nesotieji garai, veikiami slėgio, suspaudžiami kaip dujos, kol virsta sočiaisiais garais 22
Nesočiųjų garų nukrypimas nuo Mariotte dėsnio artėjant prie soties būsenos 23
Suskystinimas paprastu aušinimu 25
Suskystinimas paprastu slėgiu 27
Faradėjaus eksperimentai 28
Tilorier 30 aparatas
Kai kurios kietojo anglies dioksido savybės 32
Suskystinimas vienu metu suspaudžiant ir aušinant 33
Tolesni Faradėjaus eksperimentai 33

II SKYRIUS Kritinis punktas 35
Nauji gedimai ir jų priežastys 35
Cagnard de la Tour darbai ir Faradėjaus nuomonė 37
Andrewso eksperimentai 38
Krišos taškas ir jį lemiančios sąlygos 42
Dujų klasifikavimas pagal jų suskystėjimą 43
Andrews klasifikacija 45

III SKYRIUS Nuolatinių dujų suskystinimas 45
Calete eksperimentai 45
„Pictet Experience“ 50
Olševskio ir Vrublevskio eksperimentai 54
Kamerlingh Onnes eksperimentai 56

ANTRA DALIS
Pramoninis oro skystinimas

IV SKYRIUS Išplėtimas ir Siemens šilumokaitis Nuo Siemens iki
Linda 58
Kelių ciklų metodo trūkumas 58
Kodėl plėtra sukelia šaltį? 59
Du pagrindiniai būdai išplėsti 60
Būtinybė naudoti šilumokaičius 61
Apie nesėkmingus bandymus 63
Džaulio ir Tomsono eksperimentas 64
Gamsono metodas ir aparatas 67
Šilumokaitis skirtas ne tik padidinti aušinimą 69
Procesas ir aparatai Linde 71
Šiek tiek apie mano darbo istoriją 74
Dviejų išplėtimo metodų palyginimas 79
Išplėtimas su išorinis darbas 82
Išplėtimas pagal paprastą galiojimo laiką 83

V SKYRIUS Dujinės būsenos netobulumas Vander Waals darbai 86
Atitinkamos valstijos 94
Oro suspaudimas žemoje temperatūroje 100
Vitkovskio darbai 100

VI SKYRIUS Išplėtimas paprastu galiojimo laiku 104
Naudingumo skaičiavimas 104
Netobulų dujų išsiplėtimas paprastu ištekėjimu 107
Temperatūros kritimas plėtimosi metu sukuria įsivaizduojamą ir perdėtą vėsinimo efekto idėją 117
„Linde“ patobulinimai plečiasi vidinis darbas 117
Plėtimo aušinimo efekto apskaičiavimas taikant Linde metodą 121

VII SKYRIUS Išplėtimas naudojant išorinius darbus 121
Automatinis tepimas Naftos eteris 125
Pirmieji eksperimentai 129
Pirmieji pasisekimai 131
Plėtimo su skystinimu mašinoje trūkumai 132
Suskystinimas slėgiu 135
Praktinis pritaikymas 139
Keletas žodžių apie plėtimosi energijos panaudojimą 142
Užbaikite išplėtimo tobulinimą dvigubą išplėtimą 143
Daugkartinis išplėtimas 147
Kitas būdas 148
Vienkartinis plėtimasis arba dvigubas plėtimasis skystinant deguonį esant slėgiui 149
Išsiplėtimo ribinio naudingumo apskaičiavimas atliekant išorinį darbą 151
Grąžintos energijos kiekis 157
skystintuvo tiekimas deguonimi 157
Kiti darbai išplėtimo su išorės darbais srityje 157

TREČIA DALIS
Skysto oro laikymas ir savybės

VIII SKYRIUS Skysto oro saugykla 160
Sunki užduotis 160
Pirmoji priemonė sulėtinti garavimą 165
D'Arsonval metodas Laivai su dvigubomis sienomis ir beorės erdvės tarp jų 166
Dewar laivų tobulinimas su dvigubomis sidabruotomis sienomis ir beoriu tarpu tarp jų 170
Perpylimo aparatas Atsargumo priemonės, reikalingos dirbant su skystu oru 172
D'Arsonval ir Dewar laivų tinkamumo laipsnis 175
Žemos temperatūros naudojimas tobulam vakuumui sukurti 177
Neįmanoma laikyti skysto oro uždaruose induose 178
IX SKYRIUS Fizinės savybės ir skysto oro naudojimas 179
179 spalva
Deguonies ir azoto mišinių virimo temperatūros pokytis priklausomai nuo jų sudėties 180
Virimo temperatūros arba suskystinimo pokytis priklausomai nuo slėgio 182
Skysto oro, skysto deguonies ir skysto azoto tankiai 184
Skysto oro garavimo šiluma: Naudojimas kaip aušinimo skystis 185
Skysto oro šiluminė talpa 187
Išskirtiniai reiškiniai, kuriuos sukelia sferoidinė būsena 187
Skysto oro nekenksmingumas mikrobams 190
Skysto oro magnetinės savybės 191
Kai kurios pusiau liepsnos Bunsen degiklio 192 skysto oro aušinimo pasekmės
Įvairių kūnų kietėjimas skystame ore 193
Odos anomalija 195
Metalų sukibimo keitimas 195
Užšaldantys skysčiai: gyvsidabris, alkoholis ir kt. 197
Naftos eteris D’Arsonval eksperimentai Skysto oro termometrai 198
Naujų dujų gavimas iš atmosferos V Ramsay darbai Helio 200 suskystinimas
Dujų užšaldymas Pramoninė vandenilio gamyba 202
Oro užšalimas 202
Atmosferos oro suskystinimas 204
Akmens anglių savybės esant skysto oro temperatūrai. Pramoninė gamyba didelis vakuumas 205
Aušintos anglies savybių galimi pritaikymai. Kaitinamųjų lempų gamyba Metaliniai indai skystam orui 209
Skysto deguonies gamyba prie krioklių 210
Anglies sugeriamųjų savybių taikymas neoninių vamzdžių gamyboje 212
Įvairių dujų absorbcija anglimi Vandenilio anomalija 213
Aušintos anglies panaudojimas inertinių dujų atskyrimui 215
Kūnų šiluminė talpa žemoje temperatūroje 216
Metalų elektrinė varža žemoje temperatūroje 216
Kammerling-Onnes darbai Vienas laipsnis nuo absoliutaus nulio 217
Magnetinės metalų savybės žemoje temperatūroje 219
Spalvos pokyčiai Fosforescencija 219
J. Becquerel, P. Lebeau ir kitų eksperimentai 220
Skysto oro naudojimas montuojant metalinius žiedus ir pan. 220
Skysto oro naudojimas kaip varomoji jėga 221
Cheminio giminingumo sumažėjimas žemoje temperatūroje 223
X SKYRIUS Skystojo deguonies savybės ir panaudojimas 224
Degimas skystame deguonyje 225
Sprogingumas 227
Sprogmenys su skystu deguonimi 228
Dabartinė skysto deguonies, kaip sprogmens, naudojimo klausimo padėtis 233
Kiti skysto deguonies pritaikymai 235
Gelbėjimo aparatai Skysto deguonies taikymas medicinoje 235
Respiratoriai aviatoriams 239
Deguonies pavertimas ozonu žemoje temperatūroje 240

KETVIRTA DALIS
Oro padalijimas į jo sudedamąsias dalis

XI SKYRIUS Bendrosios pastabos Įvairūs būdai 241
Šios problemos reikšmė 241
Oro atskyrimui į elementus reikia energijos 242
Įvairūs deguonies iš oro metodai 246

XII SKYRIUS Kai kurios skysto oro išgarinimo ypatybės
Parkinsono idėja 247
Skysto oro išgarinimo ypatybės 248
Bailey eksperimentai 251

XIII SKYRIUS Peršalimas 253
Vienu metu vykstantis garinimas ir suskystinimas 254
Būtinybė suspausti suskystintą orą 258
Papildomo šalčio poreikis 259
Skysto oro lygio indikatoriai 261
XIV SKYRIUS Įvairūs nuoseklaus garinimo būdai 263
Pirmasis Lindės aparatas (1895) 263
Gamsono aparatas (1896) 265
Aparatinė trupė 266
Pikteto metodas (1899) 267

XV SKYRIUS Oro deguonis pirmasis suskystina 268

XVI SKYRIUS Kai kurios pastabos dėl dujų mišinių suskystinimo 272
Dujų mišinių suskystinimas pastovioje temperatūroje 274
Duhem grafinis metodas ir jo taikymas atitinkamam turiniui nustatyti 281

XVII SKYRIUS Pirminio atmosferos deguonies suskystinimo taikymas 284
Prieš refliuksą (1902) 291
XVIII SKYRIUS Ištaisymas 297
Linde aparatas (1902) 298
Levio ir Gelbronnerio aparatas (1902), Pictet (1903) 300
Aparatas J. Claude 300
Skysčio tiekimo kiekio rodikliai 301
Dviejų skirtingų skysčių gaminimas vienoje skysčio vonioje 301
Sąlygos, būtinos norint teisingai ištaisyti 303
Liesos skysčių gamybos patobulinimai 304
Praktinis išankstinio refliuksavimo aparato su „vieno ciklo“ taikymas 306
Šilumokaičiai su dviem skyriais 309
Termodinaminis efektyvumas atskiriant oro elementus skystinimo būdu 309
Kiti metodai – pakartotinis skystinimas (Levi, Gelbronner) 312
Įvairūs dalinio deguonies ir azoto atskyrimo būdai skystinant orą – Didesnio savaiminio azoto išsivalymo principas – Metodas R Levy (1903) 313
4hctocq azoto gamyba, Linde metodas 316
Naujas Linde įrenginys
Įranga skystam deguoniui 318
Apparatus Le Rouge (Air Liquide Company) 319
Messerio aparatas 321
Įrenginys Industriegas-Gesellschaft 322
Skysto deguonies 324 aparato racionali schema

XIX SKYRIUS Aparatų veikimas 324
Oro valymas 324
Anglies dioksido pašalinimas 325
Aušinamasis džiovinimas 327
Linde 327 schema
J. Claude šilumokaičiai su atšildymu 328
Aušinimo džiovinimo metu sunaudotas šalčio kiekis 330
O-va lAir Liquide 330 įrenginio paleidimas
Išsiplėtimo energijos naudojimas 335
Nelaimingi atsitikimai, įvykę eksploatuojant prietaisus 338

XX SKYRIUS Inerniųjų dujų gamyba 344
Helis ir neonas 345
Neono ir helio kiekio atmosferos ore nustatymas 346
Helis, amoniakas ir aeronautika 347
Helis JAV ir Kanadoje 348
Argonas 351
Kriptonas ir ksenonas 354

PRATARMĖ
Prieš dvidešimt septynerius metus po kiekvieno viešo pasirodymo, kai demonstravau skystą orą ir jo savybes ir bandžiau numatyti visas jo panaudojimo galimybes, buvau apšauktas utopistu, išskyrus laboratorinius tyrimus, kurie vėliau išsipildė.
Tačiau Georgesas Claude'as savo prielaidose nuėjo dar toliau už mane ir buvo teisus – todėl su visišku tikėjimu ir įsitikinimu jo 1903 m. išleistos knygos pratarmę galėjau užbaigti tokiais žodžiais: „Oro suskystinimas pramoniniu mastu. yra ne tik mokslo revoliucija, bet ir, be to, daugiausia - ekonominė ir socialinė revoliucija." Visas turtingas turinys, kurį Claude'as įdėjo į savo pirmąjį darbą, kurio naują leidimą jis siūlo šioje knygoje, visiškai patvirtina prielaidos, kurias padariau prieš 27 metus.
Tai ne vien ekspozicija, tai visiškai originalaus pobūdžio kūrinys, kuriame autorius nepasitenkina savo srities istoriko vaidmeniu.
Per daugelį metų J. Claude'as nenuilstamai prisidėjo prie šio klausimo sprendimo. Šiuos puslapius jis kūrė ne kaip pamokantį oro suskystinimo pramonės aprašymą, o daugiausia kaip savo darbų ir sukurtų teorijų, kurios iki šiol praplėtė mūsų žinias ne tik mokslo, bet ir mokslo srityje. mokslo pasiekimų pritaikymas pramonėje.
Aš nenuilstamai sekiau visus Claude'o tyrimus ir pranešiau apie reikšmingiausius rezultatus Mokslų akademijų susitikimuose. Iš kai kurių šios knygos skyrių galima suprasti, kokiais keliais šie tyrimai judėjo į priekį, o iš jų galima spręsti, kokiu pasitikėjimu ir greičiu juda praktika, kai ji vadovaujasi aiškia, tvirtai pagrįsta moksline teorija.
Claude'as priklauso tiems genialiems tyrinėtojams, kurie smalsų laboratorijos mokslininko stebėjimą derina su blaiviu praktiko protu. Jokia teorija jam nėra baigta.
vertės tol, kol gaus galimybę ją pritaikyti praktiškai.
Tai patvirtina daugybė šioje knygoje pateiktų tipiškų pavyzdžių. Kai kuriuos iš jų nurodysiu:
1) Aparatas skystam orui gaminti plečiant išorinį darbą. Teorija įrodo šio darbo metodo pranašumą prieš kitus, tačiau praktinis jo pritaikymas nepavyko, nepaisant to, kad jo ėmėsi mokslininkai ir žymūs inžinieriai. „Teorija visada teisinga“, – sako Claude'as ir, nenusileisdamas nuo nesėkmės, ištikusios jo išskirtinius pirmtakus, kruopščiai analizuoja, kas praktiškai praktiškai netenkina teorijos.
Šio darbo metu jis atrado žemoje temperatūroje veikiančių mašinų tepimo metodą petroleteriu. Po šio atradimo aparatas pradėjo veikti, tačiau per valandą pagamino tik 0,20 litro skysto oro. „Akivaizdu, kad teorija dar nėra pakankamai patenkinta“, – nusprendžia Klodas. Jis atidžiai tyrinėja šį reiškinį ir, atlikdamas subtilią analizę, neabejotinai nustato, kad teorija iš tikrųjų nėra patenkinta. Jis įsitikinęs, kad esant labai žemai temperatūrai, kurioje veikia jo aparatas, oras nebėra tos idealios dujos, kurios teoriškai priimtos: „Tai dar nėra skystis, – sako jis, – bet beveik nebėra dujos. . Tada jis bando pakelti temperatūrą, kuriai esant vyksta plėtimasis, kad patenkintų teoriją. Jis kreipiasi į slėgio mažinimą, tada junginių suskystinimą, tada deguonies kritinės temperatūros skystinimą ir kt.
Teorija patenkinta ir skysto oro išeiga pamažu pasiekia 0,66, 0,85, 0,95 litro arklio galiai/val.
Taip, teorija visada teisinga, bet... tinkamose rankose.
2) Yra didelis skirtumas tarp dviejų oro komponentų – deguonies ir azoto – virimo temperatūros. Azoto gebėjimas išgaruoti greičiau nei deguonis buvo pagrindas procesui, kuris ekonomiškai išsprendžia šių dviejų dujų atskyrimo problemą. Mažiausios detalės Garavimo procesą atidžiai ištyrė prof. Linda, parengė Balis ir kiti (be jokių nesutarimų). Priešingo reiškinio, būtent dujinio oro kondensacijos, teorija sukėlė ginčų: Dewaras manė, kad abu oro elementai kondensuojasi vienu metu; Linde pasidalino šia nuomone. Pictet nuėjo dar toliau ir tikėjo, kad pirmiausia kondensuojasi azotas, tai yra, lakesnės dujos. Reikėjo nuspręsti, kuri iš šių teorijų teisinga, nes jei abi dujos kondensuojasi vienu metu, tai, aišku, visas oras turi būti visiškai suskystintas, kad atskirtų jo elementus; jei viena iš dujų kondensuojasi prieš kitą, tada šiam atskyrimui pasiekti pakaks dalinio suskystinimo.
Claude'ą labai sužavėjo Dewaro teorija, kuri prieštarauja pagrindiniams fizikos dėsniams. Kaip bendra pozicija“, - samprotavo jis, suskystėjimo reiškinys visada yra priešingas garavimo reiškiniui, o oras gali elgtis kitaip tik tuo atveju, jei egzistuoja kokia nors keista anomalija. Claude'as pradeda atlikti eksperimentus ir jų rezultatai visiškai sutampa su jo paties prielaidomis ir su Gibbso, Van-der-Va al s'a ir Duhem'a teorijomis. Išsamų to pristatymą rasime skyriuje apie dujų mišinių skystinimą.
Dėl itin sumanaus metodo Claude'as galėjo pasinaudoti šia savybe. Suskystindamas palyginti nedidelę dalį apdorojamo oro, jis tiesiogiai, be išankstinio išgarinimo, gavo labai daug deguonies turintį skystį, kuriame buvo beveik visas apdorojamame ore esantis deguonis. Šis metodas apima vadinamuosius atvirkštinius srautus. Tai leidžia visiškai atskirti visą apdorojamame ore esantį deguonį, suskystinus tik pusę jo.
Klodas iškart pradeda praktinis pritaikymas jo pasiektus patobulinimus. Rezultatai iš karto. Skysto oro gamyba ir pastarojo skaidymas į jo elementus (pirmą kartą prof. Linde, pasitelkęs jo atrastus itin meistriškus metodus) buvo labai išplėtota Prancūzijoje ir kitose šalyse, dėka Klodo metodo, išnaudoto. NL'air Liquide Society.
Be ypatingo susidomėjimo, ši knyga suteikia naują patvirtinimą mano ne kartą išsakytai nuomonei, kad taikomasis mokslas gali pakeisti silpnus vadinamojo grynojo mokslo nustatytus dėsnius. Bet koks fizinis dėsnis gali būti laikomas tikrai nusistovėjusiu tik tada, kai paaiškėja, kad jis yra priimtinas plačiu pramoniniu mastu; gryname moksle galima klysti be daug steigiant žalingų pasekmių nepakankamai tikslūs įstatymai; plačioje pramonėje šis reiškinys yra arba visiškai neįmanomas, arba klaida per trumpą laiką paveikia pati save ir veda prie žlugimo. Kaip tik šioms nuostatoms pritariau, kai Mokslų akademija, man pirmininkaujant, svarstė Pramonės skyriaus atidarymo savalaikiškumo klausimą. Klodo darbas įrodė, kad aš teisus.
Baigdamas manau, kad būtina atkreipti dėmesį į vieną įdomiausių dalių, pasirodančią bent jau pirmą kartą
Šiame leidime autorius aprašo sunkumus, kuriuos jam teko įveikti tiriant techniškai įmanomus būdus, kaip vienu metu iš oro išgauti jame esančias tauriąsias dujas, dažnai mikroskopinėmis dozėmis, ir gauti jas kaip šalutinius produktus azoto ir deguonies gamyba. Be šių nepaprastai įdomių mokslinių atradimų, kurie tapo realybe, Claude'as neabejoja, kad jam pavyks rasti naujų pritaikymų nuostabioms šių tauriųjų dujų savybėms.
Daktaras dArsonval.
Instituto narys.
Nogentas Marnoje.
1925 metų balandžio 16 d.

PIRMA DALIS.
DUJŲ SKYSTINIMAS.

I SKYRIUS.
Pirmieji etapai.
Viena įdomiausių fizikos katedrų yra ta, kurioje nagrinėjamas dujų suskystinimas, o prieš pereinant prie klausimų, susijusių su oro suskystinimo problema, svarstymo, negalime tyliai praleisti tų daugybės darbų, kurie baigėsi – visai neseniai. - su visišku mokslo dominavimu prieš skystą ir dujinę kūnų būseną.
Dujų skystinimo srityje teorinės išvados gerokai pralenkė jų praktinį įgyvendinimą. Fizikai pastebėjo, kaip įprasti skysčiai, veikiami šilumos, virsta garais, kurie yra tokie pat judrūs ir lengvi kaip dujos; veikiami aušinimo šie garai lengvai grįžo į pradinę būseną – virsta skysčiu. Mokslininkams iškilo klausimas: ar dujos – natūralios ar chemiškai pagamintos – ir skysčių garai, o ypatingi skysčiai, nepalyginamai lakesni už paprastus ir verda labai žemoje temperatūroje.
Ar ne tokios mintys užvaldė garsųjį Sviftą, kai jis sukūrė sekančią savo „Guliverio kelionių“ ištrauką (3 dalis, Kelionės į Laputą, V skyrius – Lagado akademijų aprašymas
„Didžiajam mokslininkui vadovavo 50 darbininkų. Kai kurie kondensavo orą, paversdami jį apčiuopiamu, ištraukdami iš jo azotą ir leisdami išgaruoti skystoms ir vandeningoms dalelėms ir pan.
Juk tai pilnas skysto oro, deguonies ir azoto gamybos vaizdas – visa tai 1726 m.!
Po Swifto dujų gebėjimo suskystėti sampratą paaiškina pranašiški Lavoisier žodžiai, pateikti žemiau. Per tą laiką, kai
) Į šį keistą palyginimą atkreipiau dėmesį inžinierius. G. Steingelis.
Net lengvai suskystintos dujos negalėjo būti suskystintos, garsusis chemikas nusprendė pasakyti:
„Jei žemė staiga patektų į aplinką, kurios temperatūra yra labai žema, panaši į Jupiterio ar Saturno, vandens, kuris dabar sudaro mūsų upes ir jūras ir tikriausiai didžiąją daugumą mums žinomų skysčių, temperatūrą, virstų kalnais ir kietomis uolomis. Tokiu atveju oras ar bent dalis jį sudarančių dujų pakeistų savo būseną, virstų skysčiu iš nematomų dujų, kurios egzistuoja dėl buvimo aplinkoje, kurioje yra pakankamai aukšta temperatūra oras iš vienos būsenos į kitą, naujų, iki šiol nenumatytų skysčių susidarymas“.
Taigi, pradedant nuo Lavoisier, buvo patvirtinta nuomonė, kad trys medžiagos būsenos – kieta, skysta ir dujinė – yra nuosekli serija, kurios kiekviena būsena priklauso nuo aplinkos temperatūros.
Šiuolaikinis mokslas patvirtintas visiems kūnams, bent jau tiems, kurie kaitinant nesuyra, šios išvados visiškas dėsningumas ir bendrumas.
Be jokių kitų pratarmių, pereikime prie dujų suskystinimo klausimo tyrimo, pirmiausia prisiminę visus tuos dėsnius, kurie reglamentuoja ir skysčių garavimą, ir jų garų kondensaciją.
Skysčių garų elastingumas. - Garai yra sotieji ir nesotieji.
Fig. 1 parodytas barometrinis vamzdelis, užpildytas gyvsidabriu ir panardintas į jį atviras galasį indą su gyvsidabriu. Šiuo atveju erdvėje E susidaro tuštuma; Yra žinoma, kad atmosferos slėgį lemia gyvsidabrio stulpelio AB aukštis (apie 760 mm). Išlenkta pipete į barometrinį vamzdelį įlašinkite kelis lašus skysčio: vandens, alkoholio ir kt. Šis skystis, pasiekęs laisvą gyvsidabrio paviršių, išgaruos tuščioje erdvėje Ey ir pamatysime, kad gyvsidabrio lygis, veikiamas susidarančių garų, nuo pradinio B lygio sumažės iki naujo lygio C (2 pav.). BC aukštis nustato garų, susidariusių eksperimento sąlygomis, tamprumo jėgą arba slėgį. Atliekant šį eksperimentą yra 2 parinktys:
1) Į vamzdelį suleidžiamas perteklinis skysčio kiekis; tokiu atveju išgaruos tik dalis šio skysčio. Barometriniame
erdvėje E bus didžiausias garų kiekis, kurį ji gali sutalpinti, t. y. garai bus, kaip paprastai vadinama, sotūs. Gyvsidabrio lygio sumažėjimas šiuo atveju bus maksimalus ir įdomu pastebėti, kad šis sumažėjimas esant tam tikrai temperatūrai yra griežtai apibrėžta ir pastovi vertė, neatsižvelgiant į į vamzdelį patenkančio skysčio pertekliaus kiekį. Galima sakyti, kad sočiųjų garų slėgis tam tikroje temperatūroje yra pastovus fizinis dydis ir apibūdina skystį taip pat, kaip jam būdingas tankis ar virimo temperatūra.
2) Skystis, įvestas į vamzdelį, visiškai išgaruoja, todėl jo kiekis pasirodė esąs nepakankamas, kad susidarytų garų kiekis, kuris tilptų į vamzdelį. IN tokiu atveju gyvsidabrio lygio sumažėjimo laipsnis nebus konkreti reikšmė, kaip buvo pirmuoju atveju, ir priklausys nuo įleidžiamo skysčio kiekio. Ir visiškai aišku, kad įvedus nedidelį kiekį skysčio, gyvsidabrio kiekio sumažėjimas bus nereikšmingas.
Taigi, nesočiųjų garų slėgis nėra apibrėžta vertė ir gali skirtis priklausomai nuo įleidžiamo skysčio kiekio pi ribose. 1, 2 ir 3.
Turime atkreipti deramą dėmesį į nesočiųjų garų sąvokos esmę, nes, kaip vėliau sužinome, dujos yra tos pačios eilės reiškinys, tai yra, tai yra nesotieji garai.
Įvairių skysčių garų slėgio pokyčiai priklausomai nuo pastarųjų savybių ir jų temperatūros.
Įvairių skysčių garų slėgis esant vienodai temperatūrai yra didesnis, tuo šie skysčiai yra lakesni. Taigi, pavyzdžiui, vandens garų elastingumas 20° temperatūroje yra 17,4 mm, t. y., esant 20°, gyvsidabrio stulpelio lygis (barometriniame vamzdyje) sumažėja 17,4 mm, kai į vamzdelį patenka vanduo; paprastų alkoholio garų elastingumas toje pačioje temperatūroje yra 44 mm, medienos alkoholio garų - 95 mm ir eterio garų - 442 mm; šių skaičių seka kartu parodo mums šių skysčių lakumo tvarką.
Kita vertus, to paties skysčio garų slėgis sparčiai didėja kylant temperatūrai. Pabandykime palaipsniui sušildyti savo barometrinį vamzdelį E – veikiant vis didėjančiam skysčio, kurio garai pakyla virš gyvsidabrio, garavimo. , pastarųjų lygis didėjant greičiui mažės ir vandens garų elastingumas esant 30° bus lygus 31,5 mm, 50° - 92 mm ir 75° - 288,5 mm.
Toliau didindami temperatūrą pamatysime, kad gyvsidabrio lygio mažėjimas dar labiau paspartės, o tam tikru momentu (3 pav.), veikiant sočiųjų skysčio garams (kurie yra vamzdyje visi viršijant laiką), gyvsidabrio lygis barometriniame vamzdyje pasieks gyvsidabrio lygį inde A (3 pav. Akivaizdu, kad šiuo metu garų slėgis tiksliai subalansuos atmosferos slėgį, todėl bus lygus 760). mm.
Jei išmatuosime temperatūrą šiuo momentu, pamatysime, kad ji lygi 100°, t.y., vandens virimo temperatūrai esant atmosferos slėgiui. Šį nepaprastai įdomų reiškinį suformuluojame taip:
Skysčio virimo temperatūra esant atmosferos slėgiui taip pat yra temperatūra, kurioje šio skysčio garų slėgis yra lygus vienai atmosferai.
Visi gamtos dėsniai turi savo gilią prasmę, tačiau mes taip retai turime galimybę juos išnarplioti, kad reikėtų atkreipti dėmesį į kiekvieną tokį atvejį. Štai mes turime šį atvejį. Kaip labai
9 Norėdami tai padaryti, naudokite barometrinį vamzdelį, parodytą Fig. Uždenkite 1 - 3 ir 5 - 13 g stikline mova ir tarp vidinės movos sienelės ir vamzdžio išorinės sienelės suleiskite vandenį ar kitą iki norimos temperatūros pašildytą skystį.
Gerai žinoma, kad tik tada skystyje pradeda formuotis burbuliukai, dažniausiai stebimi verdant, kai garai savo elastingumu sugeba subalansuoti skystį veikiantį atmosferos slėgį.
Kol garų slėgis nepasiekia šios vertės, negali susidaryti garų burbuliukai, stebime tik lėtą paviršiaus garavimą, bet ne virimą.
Garavimo šiluma.
Panagrinėkime reiškinius, kurie atsiranda kaitinant skystį atvirame inde. Yra žinoma, kad šio skysčio temperatūra nuolat kils tol, kol bus pasiekta virimo temperatūra, po kurios temperatūros kilimas iš karto sustos, kad ir koks stiprus būtų šildymo šaltinis. Skysčio fizinės būsenos pasikeitimas ir, kita vertus, didžiulis jo tūrio padidėjimas, atsirandantis garuojant, įveikiant atmosferos slėgio pasipriešinimą, reikalauja didelių energijos sąnaudų, kurios gaunamos dėl iki reikšmingo šilumos sugerties. Kažkoks neaiškus supratimas apie garinimo metu išeikvojamą šilumos kiekį suteikia mums tą šalčio jausmą, kurį kiekvienas patiria išeinant iš vonios, kai lėtai išgaruoja ant kūno likęs vanduo.
Iki to momento, kai mūsų šildomas skystis užvirsta, silpnas paviršinis garavimas sukelia atitinkamai silpną šilumos sugėrimą, o beveik visa šildymo šaltinio generuojama šiluma išleidžiama laipsniškai šildyti skystį. Nuo virimo pradžios šilumos sugertis garams susidaryti tampa milžiniška, o visa šildytuvo šiluma, nepaisant jo galios, išleidžiama garinimo procesui.
Šilumos kiekis, reikalingas vienam verdančio skysčio svorio vienetui paversti garais, vadinamas garavimo šiluma. Regnaul t, 100° vandens kiekis yra lygus 537 kalorijoms 1 tonoje.
Tačiau šis skaičius reiškia, kad vanduo, jau pašildytas iki 100°, toliau nepadidėjus temperatūrai pereinant nuo skysčio prie tos pačios temperatūros dujų, sugeria šilumos kiekį, beveik 5,5 karto didesnį už tą, kurį sugėrė vanduo perėjimui. nuo ledo lydymosi temperatūros iki virimo temperatūros. Šiuo požiūriu, kaip ir daugeliu kitų, vanduo yra ypatingas skystis;
Tai matyti iš toliau pateiktos lentelės, kurioje pavaizduoti įvairių skysčių virimo taškai ir garavimo šiluma.
Šalčio poreikis suskystintoms dujoms esant atmosferos slėgiui. Atkreipkite dėmesį, kad inde negalima pašildyti skysčio virš jo virimo temperatūros, nes padidinus kaitinimą galime sukelti tik stipresnį virimą, bet neviršyti virimo temperatūros. Kitaip tariant, joks chemiškai grynas skystis normaliomis sąlygomis negali egzistuoti esant atmosferos slėgiui, kurio temperatūra viršija tam tikro skysčio virimo temperatūrą x).
Jei fizikų, laikančių dujas itin lakių skysčių poromis, išvados yra teisingos, tai šios dujos net ir esant labai žemai temperatūrai turi virimui reikalingą elastingumą, lygų vienai atmosferai, ir dėl to šie skysčiai gali egzistuoti atmosferoje. slėgis tik esant labai žemai temperatūrai.
Taigi mes suprantame šalčio vaidmens suskystinant dujas esmę, kurią numatė Lavoisier. Kokia didelė šalčio svarba, dar labiau įsitikinsime, kai pamatysime, kad visais atvejais vienintelė aplinkybė, kurios pakanka suskystėjimui visais atvejais pasiekti, yra šalčio veikimas: jokios dujos, net helis, negali atlaikyti pakankamai šalčio. . Nėra jokių abejonių, kad fizikai, tyrę šią įdomią problemą, būtų labai arti jos sprendimo, jei priimtų šį pasiūlymą.
Tiesa, gauti labai žemą temperatūrą jiems gali atrodyti vienas didžiausių fizikos sunkumų. Tačiau jei jie dėtų daugiau pastangų – o iškelta problema yra to verta – neabejotina, kad dėl didžiulės fizikos pažangos jie atrastų tuos nuostabius paprastus būdus, kurios dabar mums tarnauja, kad gautume gilų šaltį.
) Pašalinių priemaišų ir ypač ištirpusių druskų buvimas skystyje gali žymiai padidinti virimo temperatūrą. Kartais atsiranda nestabilios pusiausvyros reiškinys, vadinamas skysčio „perkaitimu“.
Slėgio įtaka virimo temperatūrai.
a) Slėgio sumažėjimas. Ką tik matėme, kad kaitinant bet kokį skystį esant atmosferos slėgiui, virimas prasideda tuo momentu, kai palaipsniui didėjantis garų slėgis pasiekia atmosferos slėgį subalansuojančią reikšmę.
Sumažinkime skystį veikiantį slėgį, įdėdami jį į uždarą indą, iš kurio dalinai išpumpuotas oras; aišku, kad mažesnis garų slėgis žemesnėje temperatūroje galės įveikti esamą sumažintą slėgį ir taip sukelti virimą: virimo temperatūra tokiomis sąlygomis bus žemesnė
normalus, ir kuo tobulesnė tuštuma inde, kuriame yra mūsų skystis, tuo atitinkamai žemesnė virimo temperatūra.
Pati gamta kai kuriais atvejais patvirtina aukščiau išvardintų dalykų teisingumą. Pavyzdžiui, kalnų viršūnėse slėgis yra žemesnis už atmosferos slėgį, o slėgio sumažėjimas yra lygus oro stulpelio slėgiui nuo kalno pagrindo iki jo viršūnės. Kopiant į Monblaną garsųjį alpinistą pribloškė tai, kad ledinėje Alpių koloso viršūnėje jis sunkiai galėjo verdančiame vandenyje išvirti kietai virtus kiaušinius - ten vandens virimo temperatūra buvo tokia žema.
Štai dar vienas, dar ryškesnis pavyzdys!
Kai oro siurblys palaipsniui didina vakuumą vandens inde, vandens virimo temperatūra gali nukristi žemiau užšalimo taško: tokiomis sąlygomis kietai virti kiaušiniai iš tikrųjų tampa mitu! Tačiau geram oro siurbliui nėra ypač sunku išlaikyti 1-2 mm slėgį virš skysčio, esančio uždarame inde, o kadangi esant 0° vandens garų slėgis yra 4,6 lsh, tada, aišku, vandens šiuo atveju. temperatūroje ir esant nurodytam slėgiui jis turėtų užvirti, nes vandens garų elastingumas tokiomis sąlygomis žymiai viršija inde esantį slėgį.
Garavimo principu pastatytos šaldymo mašinos. Iš to, kas išdėstyta pirmiau, akivaizdu, kad aprašytomis sąlygomis vykstantis garavimas gali būti labai reikšmingo aušinimo šaltinis.
Jei, pavyzdžiui, prijungiate vandens pripildytą indą prie pakankamos galios vakuuminio siurblio ir priverčiate pastarąjį veikti, tada po kurio laiko vanduo smarkiai užvirs, nes ateis momentas, kai vandens temperatūra yra, jo garų elastingumas viršija sumažintą slėgį, kuris palaikomas veikiant siurbliui. Kadangi šiuo atveju garuojant (p. 11) sugerta ir kartu su garais išeinanti šiluma nėra tiekiama jokiu pašaliniu šaltiniu, o pasiskolinama iš paties skysčio, pastarasis gana greitai atvėsta; dėl to, kad slėgį nuolat veikiantis siurblys palaiko žemiau garų elastingumo, nepaisant to, kad mažėjant skysčio temperatūrai pastarasis mažėja, toliau virimas, padidės aušinimas ir dėl to tam tikru momentu skystis pavirs kieta.
Ši graži patirtis buvo ledo gamybos įrenginių projektavimo pagrindas. automobiliai Pavyzdžiui, „Carré“ ledo gamybos mašina yra pagrįsta vandens garų sugėrimo sieros rūgštimi principu (gerai žinomas godumas, kuriuo vanduo susijungia su sieros rūgštimi). Tas pats principas įtvirtintas išskirtiniame automobilyje, tikras kovotojas už Sveikas protas, žinomas inžinierius Leblanc, kuriame vandens užšaldymo darbas buvo patikėtas... garų srovei. Ši garų srovė per purkštuką Zhifar sukūrė oro vakuumą ir puikiai veikė Westinghouse kompanijos sukurtuose modeliuose, ekonomiškai užšaldant dešimtis centnerių per valandą!
Taigi matome, kad jei virš skysčio oro siurbliu palaikomas tam tikras vakuumas, pastarasis greitai pasiekia tokią temperatūrą, kuriai esant garų slėgis yra maždaug lygus oro siurblio palaikomam sumažintam slėgiui, o garų elastingumas viršija esant slėgiui, skystis užverda ir tuo pačiu toliau vėsta. Jei skystis yra labai lakus, tai yra, jei jo garai turi pakankamai elastingumo iki žemiausių temperatūrų, tada šias žemas temperatūras galima gauti tiesiog išgarinant tokį skystį vakuume.
Taigi, pavyzdžiui, sieros eterį, kurio garų slėgis esant -40° vis dar viršija 5 mm, galima atšaldyti žemiau šios temperatūros paprasčiausiai išgarinant, esant 5 mm 1 slėgiui).
Tačiau vietoj to, kad būtų gauta labai žema temperatūra labai išretėjusioje atmosferoje išgarinant labai lakų skystį, dažnai prasminga pasiekti ne tokią žemą temperatūrą, šiuo tikslu naudojant ne per stiprų retinimą. Paimkime, pavyzdžiui, tą patį sieros eterį, kurio garų slėgis -10° temperatūroje yra 111 mm; Šią gana žemą temperatūrą galima lengvai pasiekti išgarinant skystį esant santykinai nedideliam vakuumui, kurį nesunkiai sukuria oro siurbliai, daug mažiau galingi ir ne tokie sudėtingi nei tie, kurių reikėtų vandeniui.
Galima nesunkiai įsivaizduoti, kad norint sumažinti garą iki, pavyzdžiui, 2 mm gyvsidabrio slėgio, reikės įdėti daug darbo, o norint gauti teigiamų rezultatų, prireiks didžiulių tūrių siurblių.
Lakiųjų skysčių išgarinimas dabar tapo labiausiai paplitusiu šalčio gamybos būdu, ir šis principas labai plačiai taikomas šaldymo praktikoje tūkstančiuose mašinų: kaip, pavyzdžiui, mašinose su metilo chloridu, sieros dioksidu. , amoniakas, anglies dioksidas ir kt.
b) Didėjančio slėgio veiksmas. Jau matėme, kad mažėjant slėgiui, kuriame yra skystis, mažėja jo virimo temperatūra. Atvirkščiai, padidinsime slėgį: pamatysime, kad norėdami šio skysčio garams suteikti elastingumo, įveikiančio šį slėgį, turėsime šildyti skystį aukštesnėje temperatūroje nei reikėtų normaliomis sąlygomis. Ir kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė bus virimo temperatūra.
Štai kodėl į garo katilai 15 atmosferų slėgio vanduo užverda tik 199°, o Serpollet automobilių katile, kur slėgis dažnai siekia 50 atmosferų, virimo temperatūra pakyla iki 265°. Matyt, šiek tiek žinant kai kuriuos gamtos dėsnius, vandenyje galima ištirpdyti ne tik alavą, bet ir šviną!
Atkreipkite dėmesį, kad padidintą slėgį, kuris turėtų būti taikomas šildomam skysčiui, norint padidinti jo virimo temperatūrą, sukuria pats skystis, jei tik pastarasis yra uždarame inde. Akivaizdu, kad šiuo atveju virš skysčio paviršiaus automatiškai nustatomas slėgis, bet kuriuo momentu lygus virš skysčio besikaupiančių garų elastingumui.
Reikėtų pažymėti, kad tokiomis sąlygomis, kurios yra panašios į tas, kurios yra garo katile, kai garai skiedžiami, vanduo negali prasidėti, kol nebus išleista dalis garų. Garų elastingumas šiuo atveju atitinka slėgį, kurį patiria skystis, ir dėl to pastarojo neįmanoma įveikti. Nors krosnies tiekiama šiluma nepašalinama kartu su vartojamais garais, ji beveik visa išleidžiama skysčiui šildyti; šiuo atveju temperatūra pakyla gana greitai, o kartu su skysčio temperatūra didėja jo garų elastingumas, o dėl to ir slėgis. Ir tik tada, kai slėgis jau gerokai padidintas, išleidžiant dalį garų ir taip sumažinant slėgį, susidaro sąlygos, kai garų elastingumas šiek tiek viršija slėgį, todėl galima pradėti virti. Tada slėgis nustoja didėti, nes kartu su išeinančiais garais sunaudojama krosnies tiekiama šiluma.
Žemiau esančioje lentelėje, kurią sudarė R e g n a u 11, matyti tie didžiuliai vandens virimo temperatūros svyravimai, kurie priklauso nuo slėgio. Tiesą sakant, sudarant šią lentelę buvo siekiama nurodyti vandens garų elastingumą atitinkamose temperatūrose; bet mes jau žinome, kad šie dydžiai (garų elastingumas ir virimo temperatūra) yra susiję vienas su kitu ir kad virimas prasideda tuo momentu, kai skirtumas tarp skysčio patiriamo slėgio ir jo garų elastingumo tampa be galo mažas.
Šie duomenys grafiškai pavaizduoti fig. 4. Toje pačioje diagramoje pavaizduotos atitinkamos kitų skysčių kreivės ir labai įdomu pastebėti, kad šios kreivės, nukrypdamos viena nuo kitos priklausomai nuo temperatūros, patraukia dėmesį savo charakterio vienodumu.
Išsamiau apie tai kalbėsime nagrinėdami Vanderio Waalso darbą (V skyrius).
Galimybė naudoti slėgį, o ne šaldymą gaminant tam tikras suskystintas dujas. Jau matėme (p. 12), kad bet kokio skysčio egzistavimas atvirame ore yra neįmanomas esant aukštesnei nei skysčio virimo temperatūrai; iš to padarėme išvadą, kad dujos yra hipotetinių skysčių poros, kurios atvirame ore gali egzistuoti tik labai šaltomis sąlygomis, todėl itin žemos temperatūros išlaikymas mums gali atrodyti neišvengiama dujų suskystinimo būtinybė.
Jau matėme, kad slėgio didinimas yra priemonė, leidžianti pakelti skysčio temperatūrą aukščiau – ir net žymiai aukščiau – virimo tašką esant atmosferos slėgiui. Ši pozicija, kuri dabar mums atrodo itin paprasta, praėjusio šimtmečio mokslininkams suteikė daug sėkmės, bet kartu buvo daugelio bevaisių pastangų priežastis.
Ryžiai. 4. Garų slėgio pokyčių diagrama priklausomai nuo temperatūros.
I - metilo chloridas, II - sieros dioksidas, III - eteris, IV - vanduo.
Tarkime, kad turime hipotetinį skystį, atitinkantį tam tikras konkrečias dujas: natūraliai šis skystis esant atmosferos slėgiui egzistuoja tik labai žemoje temperatūroje; bet jei šį skystį uždarysime uždarame inde, galime jį paveikti šiluma ir dėl padidėjusio slėgio pakils jo virimo temperatūra. Jei mūsų eksperimentas tęsiamas tol, kol pasieksime reikšmingą ir, jei reikia, milžinišką slėgį, tada nėra jokios matomos priežasties manyti, kad tokiu būdu negalėsime pakelti savo skysčio temperatūros iki aplinkos temperatūros. Tokio skysčio egzistavimas aplinkos temperatūroje nebūtų neįmanomas, jei jame būtų palaikomas pakankamas slėgis, ir iš to galima suprasti, kad, be bet kokio aušinimo, pakanka tinkamai paveikti tikras dujas. aukštas kraujo spaudimas kad jis suskystėtų.
Dabar pamatysime šios išvados prasmę; matysime, kartoju, visą pasitenkinimą, bet ir nusivylimą, kurį tai sukėlė mokslininkams; Bet. Pirmiausia išsiaiškinkime, kokios yra „tinkamos“ skystinimo sąlygos.

PARAGMEHTA KNYGŲ PABAIGA

ORO SKYSTINIMAS

ORO SKYSTINIMAS, procesas, pasiekiamas aušinant orą iki kritinės –147 °C temperatūros, kai slėgis oras virsta skysčiu. Po pakartotinio suspaudimo ir ADIABATINIO išsiplėtimo, esant tokiai temperatūrai, pagal JOULE-THOMPSON EFFECT, atsiranda vandens lašelių.

Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas.

Pažiūrėkite, kas yra „ORO SKYSTINIMAS“ kituose žodynuose:

Jį sudaro keli etapai, reikalingi dujoms paversti skysta. Šie procesai naudojami mokslo, pramonės ir komerciniais tikslais. Visos dujos gali būti suskystintos paprasčiausiai aušinant su... ... Vikipedija

Medžiagos perėjimas iš dujinės būsenos į skystą. S. g. pasiekiamas atšaldant jas žemiau kritinės temperatūros (žr. Kritinę temperatūrą) (Tk) ir vėliau kondensuojantis dėl garavimo šilumos pašalinimo (kondensacijos). Didžioji sovietinė enciklopedija

Jis negalėjo būti laikomas iki galo ištirtu, jei Dewaras neseniai skystu pavidalu nebūtų gavęs sunkiausiai kondensuojamų medžiagų, būtent vandenilio ir helio. Art. Suskystintos dujos (žr.) pateikta S. dujų emisijos istorija ir jau aprašyta gamyba... ... Enciklopedinis žodynas F.A. Brockhausas ir I.A. Efronas

Šviesiai mėlynos spalvos skystas deguonis Dewar kolboje. Skystas deguonis (LC, angl. Liquid oxigén, LOX) skystis blyškus mėlynos spalvos, kuri yra stipri paramagnetinė medžiaga. Tai viena iš keturių agreguotų deguonies būsenų. LCD... ... Vikipedija

O (deguonis), cheminis elementas Periodinės elementų lentelės VIA pogrupiai: O, S, Se, Te, Po chalkogenų šeimos narys. Tai labiausiai paplitęs elementas gamtoje, jo kiekis Žemės atmosferoje yra 21% (tūrio), žemės plutoje ... ... Collier enciklopedija

Gamtinių dujų- (Gamtinės dujos) Gamtinės dujos yra vienos iš labiausiai paplitusių energijos nešėjų Dujų apibrėžimas ir naudojimas, fizinės ir Cheminės savybės gamtinių dujų Turinys >>>>>>>>>>>>>>> ... Investuotojų enciklopedija

Lavoisier laikais (žr. šį pavadinimą) dujų perėjimas į skystą ir kietą būvį atrodė labai tikėtinas, nes vykstant cheminėms reakcijoms dažnai įvyksta panašus fizinės būsenos pokytis (Oeuvres de Lavoisier, t. II 804). IN pradžios XIX… … Enciklopedinis žodynas F.A. Brockhausas ir I.A. Efronas

- (chem., Ozon vok., Ozone French and English) dujinis kūnas, kol kas yra vienintelis elementinės dujinės medžiagos alotropinio modifikavimo atvejis; Tai deguonis, kurio dalelė turi ne du, o tris atomus. Jo išsilavinimas nuo...... Enciklopedinis žodynas F.A. Brockhausas ir I.A. Efronas

DUJOS- DUJOS, medžiagos, kurių būsena pasižymi tuo, kad medžiagos molekulės yra viena nuo kitos dideliais atstumais, o sąveikos jėgos tarp molekulių yra labai mažos. Eksperimentiniai dujinės būsenos medžiagos tyrimai... Didžioji medicinos enciklopedija

Nustačius, kad norint suskystinti dujas reikia jas atšaldyti žemiau kritinės temperatūros, mokslininkų pastangomis buvo siekiama sukurti būdus, kaip pasiekti žemą temperatūrą. Šias pastangas vainikavo sėkmė, ir dabar yra daug mašinų, skirtų bet kokioms ir visoms skystoms dujoms gauti. Šios mašinos, ypač oro skystinimo mašinos, plačiai naudojamos technikoje.

Oro suskystinimas naudojamas technologijoje, siekiant atskirti jį į sudedamąsias dalis. Atskyrimas pasiekiamas išgarinant skystą orą. Tokiu atveju pirmiausia išgaruoja žemesnę virimo temperatūrą turintys oro komponentai: neonas, azotas, o vėliau argonas, deguonis. Medžiaga vyksta lygiai taip pat, kaip, pavyzdžiui, distiliuojant atskiriant lengviau verdantį alkoholį nuo vandens. Susidariusios dujos plačiai naudojamos: a) azotas naudojamas amoniakui gaminti; b) argonas, neonas ir kitos inertinės dujos naudojamos kaitrinėms elektros lempoms, taip pat dujinėms šviesos lempoms užpildyti; c) deguonis tarnauja daugeliui tikslų: sumaišius jį su acetilenu (arba vandeniliu) ir deginant šį mišinį susidaro aukšta temperatūra, naudojama metalams suvirinti ir pjaustyti (499 pav.). Deguonies pūtimas tapo labai svarbus pagreitinant metalurgijos procesus; Deguonis taip pat naudojamas medicinos reikmėms.

Ryžiai. 499. Autogeninis metalų suvirinimas. Degiklis 1 tiekiamas deguonimi ir acetilenu iš cilindrų per du vamzdžius; viela 2 išsilydo deguonies-acetileno liepsnoje ir užpildo suvirintą siūlę

Be to, skystas deguonis naudojamas sprogstamosiose technologijose. Skysto deguonies mišinys su pjuvenomis, suodžiais, naftalenu ir kitomis lengvai oksiduojamomis medžiagomis yra didžiulės galios sprogmuo (oksiskytas). Sprogimas įvyksta todėl, kad esant deguoniui, kuris yra skystos būsenos ir todėl užima nedidelį tūrį, šios medžiagos užsidega labai greitai. Degimo metu įvyksta stiprus kaitinimas, reakcijos produktai tampa dujiniai (anglies dioksidas), įvyksta momentinis ir labai stiprus plėtimasis – sprogimas. Šis sprogmuo turi pranašumą, kad išgaravęs deguonis nustoja būti pavojingas.

Mašinos skystam orui gaminti yra įvairių tipų. Čia apibūdinsime mašinos grandinę, kurios veikimas pagrįstas labai suslėgto oro aušinimu jo plėtimosi metu (§ 225). Oras patenka į kompresorių 1 (500 pav.); čia jis suspaudžiamas iki kelių dešimčių atmosferų slėgio. Tuo pačiu metu jis įkaista. Iš kompresoriaus 1 oras patenka į šilumokaitį 2, kur tekančiu vandeniu atšaldomas iki pradinės temperatūros ir tada patenka į plėtiklį 3 (plėtimą). Plėtimas yra cilindras su stūmokliu. Ekspanderyje oras plečiasi. Tuo pačiu metu jis išstumia stūmoklį ir veikia. Šiam darbui eikvojama vidinė oro energija, o jo temperatūra nukrenta tiek, kad kondensuojasi į skystį; suskystintas oras surenkamas į 4 indą.

Ryžiai. 500. Skysto oro gamybos mašinos schema

Kartais plėtikliai gaminami ne cilindro su stūmokliu, o turbinos (P.L. Kapitsa turboexpander) pavidalu, kurioje dujos plečiasi, sukurdamos turbinos sukimosi darbą. Labai svarbu, kad rotorius (sukamoji turbinos dalis) mašinos veikimo metu „pakibtų“ besiplečiančių dujų sraute, neliesdamas turbinos sienelių. Dėl to nereikia tepti, o tai labai svarbu, nes tokioje žemoje temperatūroje veikiančioms mašinų dalims tepalų parinkimas yra itin sudėtingas. Įprasti tepalai kietėja esant žemai temperatūrai. Be to, P. L. Kapitsa suprojektuotų dujų suskystinimo mašinų privalumas yra didelis jų našumas ir palyginti maži dydžiai.

Skysto oro virimo temperatūra yra labai žema. Esant atmosferos slėgiui, jis lygus. Todėl skystas oras atvirame inde, kai jo garų slėgis lygus atmosferos slėgiui, verda tol, kol jo temperatūra nukrenta žemiau . Kadangi aplinkiniai kūnai yra daug šiltesni, šilumos srautas į skystą orą, jei jis būtų kaupiamas įprastuose induose, būtų toks didelis, kad per labai trumpą laiką visas skystas oras išgaruotų. Todėl jis laikomas specialiuose induose, kurie sukuria gera apsauga nuo šilumos patekimo iš išorės. Tai tokio paties tipo indai kaip ir įprasti termosai. Tai stikliniai arba metaliniai indai dvigubomis sienelėmis (501 pav.), iš tarpo, tarp kurių atsargiai pašalinamas oras. Šilumos perdavimas per tokią erdvę su labai retomis dujomis yra labai sunkus. Siekiant apsaugoti nuo įkaitimo spinduliais, vidinės ertmės sienelės yra blizginamos (sidabruotos). Tokius indus skystam orui laikyti pasiūlė Dewaras. Geroje Dewar kolboje skystas oras išgaruoja taip lėtai, kad jį galima laikyti dvi, tris dienas ar ilgiau.

Ryžiai. 501. Dewar kolbos skyrius. Iš apačios matomas vamzdžio galas, per kurį gaminant indą buvo išsiurbiamas oras iš tarpo tarp sienelių ir kuris buvo uždarytas po siurbimo.

Kad suskystintos dujos neįkaistų nepaisant nuolatinio, nors ir lėto šilumos srauto, jos turi likti atvirame inde, kad galėtų palaipsniui išgaruoti. Dėl šilumos nuostolių išgaravimui suskystintos dujos visą laiką išlieka šaltos. Jei užkimšite Dewar indą, tai yra, užkirsite kelią išgaravimui, suskystintos dujos įkais ir jų garų slėgis padidės tiek, kad suplyš indas. Jei indas būtų labai tvirtas, pavyzdžiui, plieninis cilindras, kaip parodyta Fig. 375, tada suskystintos dujos palaipsniui įkais iki temperatūros, viršijančios kritinę, ir pereitų į dujinę būseną. Taigi, vienintelis būdas išsaugoti suskystintas dujas ilgą laiką yra naudoti atvirus Dewar indus.

Bet kurios dujos gali būti paverstos skysčiu paprastu suspaudimu, jei jų temperatūra yra žemesnė už kritinę temperatūrą. Todėl medžiagų skirstymas į skysčius ir dujas iš esmės yra savavališkas. Tos medžiagos, kurias esame įpratę laikyti dujomis, tiesiog turi labai žemą kritinę temperatūrą ir todėl negali būti skystos būsenos esant artimai kambario temperatūrai. Priešingai, medžiagos, kurias mes priskiriame skysčiams, turi aukštą kritinę temperatūrą.
Pirmosios dujos (amoniakas) buvo paverstos skysčiais jau 1799 m. Tolesni dujų skystinimo sėkmė siejama su anglų fiziko M. Faradėjaus (1791-1867) vardu, kuris suskystino dujas vienu metu jas aušindamas ir suspaudęs.
Iki antrosios XIX amžiaus pusės. Iš visų tuo metu žinomų dujų liko tik šešios nepavertusios į skystį: vandenilis, deguonis, azotas, azoto oksidas, anglies monoksidas ir metanas – jos buvo vadinamos nuolatinėmis dujomis. Šių dujų suskystinimas vėlavo dar ketvirtį amžiaus, nes buvo menkai išvystyta temperatūros mažinimo technologija, jų nepavyko atšaldyti žemiau kritinės temperatūros. Kai fizikai išmoko gauti 1 K temperatūrą, jie sugebėjo visas dujas, įskaitant helią, paversti ne tik skysčiu, bet ir kietu.
Dujų skystinimo įrenginiai
Yra daug tipų mašinų, skirtų skystoms dujoms, ypač skystam orui, gaminti. Šiuolaikiniuose pramoniniuose įrenginiuose reikšmingas aušinimas pasiekiamas plečiant dujas šilumos izoliacijos sąlygomis (adiabatinis plėtimasis).
Tokios mašinos vadinamos plėtikliais. Besiplečiančios dujos veikia judindamos stūmoklį (stūmoklinius plėtiklius) arba sukant turbiną (turbinos plėtikliai), naudodamos savo vidinę energiją, todėl yra aušinamos.
Didelio našumo žemo slėgio turboekspanderius sukūrė akademikas P. L. Kapitsa. Nuo šeštojo dešimtmečio visi dideli oro skystinimo įrenginiai pasaulyje veikė pagal Kapitsa schemą.
Kapitsa Petras Leonidovičius (1894-1984) - garsus sovietų fizikas; Nobelio premijos laureatas; E. Rutherfordo mokinys.
Kapitsa atrado skysto helio skystumą ir sukūrė naujus pramoninius dujų suskystinimo metodus. „Kapitsa“ darbas kuriant itin stiprius magnetinius laukus ir didelės galios elektroninius generatorius yra labai svarbus.
6.14 pav. parodyta supaprastinta stūmoklinio plėtiklio schema. Atmosferos oras patenka į kompresorių 1, kur suspaudžiamas iki kelių dešimčių atmosferų slėgio. Suspaudimo metu šildomas oras atšaldomas šilumokaityje 2 begantis vanduo ir patenka į plėtiklio cilindrą 3. Čia išsiplėsdamas jis veikia, stumdamas stūmoklį ir tiek atvėsina, kad kondensuojasi į skystį. Suskystintas oras patenka į 4 indą.
Oras

Skysto oro virimo temperatūra yra labai žema. Esant atmosferos slėgiui -193 °C. Todėl skystas oras atvirame inde, kai jo garų slėgis lygus atmosferos slėgiui, užverda. Kadangi aplinkiniai kūnai yra daug šiltesni, šilumos srautas į skystą orą, jei jis būtų kaupiamas įprastuose induose, būtų toks didelis, kad per labai trumpą laiką visas skystas oras išgaruotų.
Skystųjų dujų laikymas

Ryžiai. 6.15
Kad oras būtų skystas, būtina užkirsti kelią jo šilumos mainams su aplinka. Šiuo tikslu skystas oras (ir kitos skystos dujos) dedamas į specialius indus, vadinamus Dewar kolbomis. Dewar kolba yra sukurta taip pat, kaip ir įprastas termosas. Ji turi dvigubas stiklines sieneles, iš tarpo tarp kurių išpumpuojamas oras (6.15 pav.). Tai sumažina indo šilumos laidumą. Vidinė sienelė yra blizga (sidabruota), kad sumažintų šildymą spinduliuote. Dewar indai turi siaurą kaklą, kai juose laikomos suskystintos dujos, jie paliekami atviri, kad inde esančios dujos turėtų galimybę palaipsniui išgaruoti. Dėl garavimo prarandamos šilumos suskystintos dujos visą laiką išlieka šaltos. Geroje Dewar kolboje skystas oras gali būti laikomas kelias savaites.
Suskystintų dujų taikymas
Dujų suskystinimas turi techninę ir mokslinę reikšmę. Oro suskystinimas technologijoje naudojamas orui atskirti į sudedamąsias dalis. Metodas pagrįstas tuo, kad įvairios dujos, sudarančios orą, verda skirtingomis temperatūromis. Helis, neonas, azotas ir argonas turi žemiausią virimo temperatūrą. Deguonis turi šiek tiek aukštesnę virimo temperatūrą nei argonas. Todėl pirmiausia išgarinamas helis, neonas, azotas, o po to argonas ir deguonis.
Suskystintos dujos plačiai naudojamos technologijoje. Iš azoto gaminamas amoniakas ir azoto druskos, naudojamos žemės ūkyje, tręšiant dirvą. Argonas, neonas ir kitos inertinės dujos naudojamos kaitrinėms elektros lempoms, taip pat dujų šviesos lempoms užpildyti. Deguonis turi daugiausiai naudos. Sumaišius su acetilenu arba vandeniliu, susidaro labai aukštos temperatūros liepsna, naudojama metalams pjauti ir suvirinti. Deguonies įpurškimas (deguonies sprogimas) pagreitina metalurgijos procesus. Iš vaistinių pristatomas deguonis pagalvėse palengvina pacientų kančias. Ypač svarbu naudoti skystą deguonį kaip oksidatorių kosminių raketų varikliams. Pirmąjį kosmonautą Yu iškėlusios raketos varikliai veikė skystuoju deguonimi.
Skystas vandenilis naudojamas kaip kuras kosminėse raketose. Pavyzdžiui, norint papildyti amerikietišką raketą „Saturn 5“, reikia 90 tonų skysto vandenilio. Pramonėje, medicinoje ir kt. naudojamas dujas lengviau transportuoti, kai jos yra suskystintos, nes tame pačiame tūryje yra didesnis medžiagos kiekis. Taip skystas anglies dioksidas plieniniuose balionuose pristatomas į gazuoto vandens gamyklas.
Skystas amoniakas plačiai naudojamas šaldytuvuose – didžiuliuose sandėliuose, kuriuose laikomi greitai gendantys maisto produktai. Atšaldymas, atsirandantis išgaruojant suskystintoms dujoms, naudojamas šaldytuvuose transportuojant greitai gendančius produktus.
Dujų suskystinimo reikšmė moksliniams tyrimams
Visų dujų pavertimas skysta būsena dar kartą patvirtino medžiagų struktūros vienovę. Tai parodė, kad medžiagos būsena priklauso nuo jos temperatūros ir slėgio ir nėra nustatyta kartą ir visiems laikams tam tikram kūnui.
Kita vertus, suskystinant dujas pasiekiamos žemos temperatūros plačiai išplėtė mokslinių tyrimų ribas ir leido aptikti daugelio medžiagų savybių pokyčius esant itin žemai temperatūrai. Elastiniai guminiai korpusai tokioje temperatūroje tampa trapūs, kaip stiklas. Gumos gabalas, atvėsęs skystame ore, lengvai lūžta, o guminis rutulys smūgio metu sutrūksta. Gyvsidabris ir cinkas žemoje temperatūroje tampa lankstūs, o švinas, plastikinis metalas, tampa elastingas, kaip plienas. Iš švino žiedų pagamintas varpas. Daugelis medžiagų (alkoholis, kiaušinių lukštai ir kt.), jas apšvietus balta šviesa, sukuria savo įvairių spalvų (daugiausia žaliai geltonos) spinduliuotę.
Esant žemai temperatūrai, šiluminio judėjimo intensyvumas smarkiai sumažėja, todėl atsiranda galimybė stebėti daugybę reiškinių, kurie slepiasi esant aukštesnei temperatūrai. aukšta temperatūra terminis molekulių judėjimas.
Esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, jos labai pasikeičia elektrines savybes kai kurie metalai ir lydiniai: jų atsparumas elektros srovė tampa lygus nuliui. Šį reiškinį, vadinamą superlaidumu, 1911 metais atrado G. Kamerlinghas Onnesas. Esant 2,2 K temperatūrai skystame helie klampumas išnyksta, t.y., įgyja supertakumo savybę. Supertakumą atrado P. JI. Kapitsa 1938 m
Tokios dujos kaip azotas, deguonis, vandenilis, helis gali būti tik skystos būsenos esant labai žemai temperatūrai. Esant tokiai temperatūrai, atsiskleidžia ypatingos medžiagų savybės, kurios yra užmaskuotos normaliomis sąlygomis terminis molekulių judėjimas. Šios savybės naudojamos tiek moksle, tiek technikoje.