Любой газ можно рассматривать как ненасыщенный пар соответствующей жидкости, поскольку газ можно превратить в жидкость.
Для этого нужно охладить газ до температуры ниже критической, и подвергнуть его сжатию.
Критическая температура для большинства газов крайне низка. Вот некоторые ее значения в кельвинах:
| Соединение | Температура |
|---|---|
| Диоксид углерода | 304,1 |
| Кислород | 155,3 |
| Азот | 126,1 |
| Водород | 33,1 |
| Гелий | 5,2 |
| Воздух | 132,4 |
Поэтому способы сжижения газов сводятся прежде всего к получению низких температур.
Эффект Джоуля-Томсона
В опытах Дж.П. Джоуля и В. Томсона, проведенных в 1852-1862 годах, ученые наблюдали эффекты изменения потенциальной энергии сил отталкивания и притяжения молекул газа во время процесса его расширения.
В данных опытах газ по теплоизолированной бамбуковой трубке переходил через пористый ватный тампон из области высокого давления р1 в область низкого давления р2 и расширялся.
В левой части прибора давление р1 поддерживался нагнетательным насосом, а в правой части давление р2 – насосом разрежения. По показаниям термометров в обеих частях определяли изменение температуры с расширением газа.
Опыты при комнатной температуре показали, что почти все газы, расширяясь, охлаждаются. Исключение составляли водород и гелий, которые с расширением несколько нагревались.
Было обнаружено, что интенсивность эффекта зависит от состава газа, перепада давления и начальной температуры газа. Например, снижение температуры из расчета на 100 кПа перепада давления составило 0,25 К для воздуха, 1,3 К для диоксида углерода, а для водорода повышение температуры равно 0,3 К.
Более точные исследования показали, что в эффекте Джоуля-Томсона между р и Т существует функциональная зависимость. При некоторых значениях р и Т эффект Джоуля-Томсона вообще не наблюдается. Очевидно, при этом создаются условия, когда проявления молекулярных сил отталкивания и сил притяжения в расширении газа взаимно компенсируются. При больших давлениях больше оказываются силы отталкивания молекул, поэтому наблюдаемый эффект будет отрицательным, а при незначительных давлениях – силы притяжения, поэтому наблюдаемый эффект будет положительным.
Для каждого газа при неизменном начальном давлении можно найти такую температуру, при переходе по которой эффект Джоуля-Томсона меняет свой знак. Ее называют температурой инверсии.
Схема Линде
Положительный эффект Джоуля-Томсона лег в основу способа сжижения газов. Данный способ сводится к тому, что когда сжатый газ расширяется через пористую перегородку или щель, работа расширения газа выполняется благодаря его внутренней энергии, поэтому газ охлаждается. Этот эффект использован в машине для промышленного сжижения воздуха, созданной немецким ученым К. Линде в 1895 году.
Схема машины Линде показана на рисунке ниже.
В ней компрессор К через вентиль S засасывает атмосферный воздух и нагнетает его в резервуар А до давления 20 МПа. Резервуар охлаждается водой; сжатый и частично охлажденный воздух через змеевик В поступает в сосуд С, там расширяется и еще больше охлаждается. Холодный воздух из сосуда С по трубам b1, b2, охватывающим змеевик, и прямой b3 поступает к компрессору и снова нагнетается в резервуаре. Так обеспечивается циркуляция воздуха. Каждое последующее расширение воздуха в сосуде С приводит к дальнейшему снижению его температуры. Тот воздух, который выходит из сосуда С, охлаждает встречный воздух, идущий по змеевику. Через некоторое время воздух начинает конденсироваться.
Машину Линде нельзя использовать для сжижения таких газов, как водород и гелий, потому что температура инверсии для них очень низкая.
Нужна работа по низкой цене? У нас вы можете заказать статью по физике недорого!
Комментарии