1. Природа явища і властивості зріджених газів
2. Способи отримання зріджених газів
3. Використання зріджених газів
Список використаної літератури
Будь газ можна перетворити в рідину простим стисненням, якщо температура газу нижче критичної. Тому поділ речовин на гази і рідини в значній мірі умовно. Ті речовини, які ми звикли вважати газами, просто мають дуже низькі критичні температури, тобто температури, після досягнення яких, газ набуває властивостей рідини, і тому при температурі, близькій до кімнатної, не можуть перебувати в рідкому стані. Навпаки, у речовин, що зараховуються нами до рідин, критичні температури великі.
Перший газ (аміак) був звернений в рідину вже в 1799 р Подальші успіхи в зріджуванні газів пов'язані з ім'ям англійського фізика М. Фарадея (1791 - 1867), який зріджують гази шляхом їх одночасного охолодження і стиснення. До другої половини 19 століття з усіх відомих в той час газів залишилися не зрідженими тільки шість: водень, кисень, азот, оксид азоту, оксид вуглецю і метан, - їх назвали постійними газами. Затримка в зріджуванні цих газів ще на чверть століття сталася тому, що техніка зниження температури була розвинена слабо, і вони не могли бути охолоджені до температури нижче критичної. Коли фізики навчилися отримувати температури близько 1 К, вдалося все гази звернути не лише в рідке, але і в твердий стан. [1]
Метою даної роботи є розгляд природи явища і властивостей зріджених газів, а також вивчення способів отримання і використання таких газів. Тема роботи актуальна на сьогоднішній день, так як зріджені гази затребувані в багатьох областях медицини, науки і техніки.
1.Прірода явища і властивості зріджених газів
Безперервні хаотичні теплові руху, в яких завжди беруть участь частинки будь-якої речовини і інтенсивність (енергія) яких визначає його температуру, справляють істотний вплив на все що відбуваються в речовині явища. Саме тому майже будь-яке властивість речовини, так чи інакше, залежить від температури, тобто від інтенсивності теплових рухів частинок в ньому.
Вивчення властивостей речовини при дуже низьких температурах, коли молекулярні руху ослаблені, представляє великий інтерес. Тільки при низьких температурах можна досліджувати ті чи інші явища в умовах, коли постійний фон теплових рухів не впливає на них.
При низькотемпературних дослідженнях досліджуване тіло приводять у контакт з тілом досить низької температури, з так званим холодоагентом. Завданням техніки низьких температур і є створення таких холодоагентів. Ними зазвичай є різні зріджені гази, що знаходяться в стані кипіння. Вони особливо зручні тим, що контакт з охолоджуваним тілом не змінює їх температуру, а призводить лише до більш інтенсивному випаровуванню. Саме скраплення газів відкрило для дослідження область низьких температур, в тому числі і найнижчих - близьких до абсолютного нуля.
Всякий газ може бути переведений в рідкий стан, але необхідною умовою для цього є попереднє охолодження газу до температури нижче критичної. Вуглекислий газ, наприклад, можна скраплений при кімнатній температурі, оскільки його критична температура дорівнює 31,1єС. Те ж, можна сказати і про таких газах, як аміак і хлор.
Але є і такі гази, які при кімнатній температурі не можна перевести в рідкий стан. До таких газів відносяться повітря (а також його складові частини - азот, кисень і аргон), водень і гелій, у яких критичні температури значно нижче кімнатної. Для зрідження таких газів їх необхідно попередньо охолодити до температури трохи нижче критичної, після чого підвищенням тиску газ може бути переведений в рідкий стан. Зріджені таким чином гази зручніше зберігати під атмосферному тиску (у відкритому посуді), але в цьому випадку їх температура повинна бути ще нижчою - такий, при якій тиск дорівнюватиме 1 атм. Для азоту температура зберігання відповідає 77,4 К, в той час як критична температура азоту дорівнює 126,1 К. Для кисню ці цифри відповідно рівні 90 К і 154,4 К, для водню 20,5 К і 33 К і для гелію 4 , 4 до і 5,3 К. Ці чотири газу широко використовуються практично, в тому числі і як холодоагенти.
З наведених цифр, як критичних температур, так і тих кінцевих температур, до яких повинні бути охолоджені зріджують гази, видно, що охолодження потрібно далеко не останнє. Для досягнення такого сильного охолодження зазвичай використовуються два методу (окремо і комбіновано), які будуть розглянуті далі. [2]
2.Способи отримання зріджених газів
Перший метод зрідження газу пов'язаний з використанням ефекту Джоуля - Томсона. Видозміна досвіду щодо розширення газу, запропоноване Джоулем і Томсоном, дозволяє досягти помітного зміни температури газу, зокрема охолодження, обумовленого його неідеальної, так як розширення ідеального газу в порожнечу не супроводжується зміною його температури. Газ при досить великому, але постійному тиску змушують протікати через теплоизолированную пористу перегородку. Це означає, що перебіг газу відбувається адіабатно. Гідродинамічний опір перегородки призводить до того, що на ній втрачається частина тиску газу і газ виходить з перегородки при більш низькому тиску. Газ розширюється або дросселируется. Дроселем називається будь-який пристрій, що представляє опір для протікання газу. Для того, щоб протягом газу було стаціонарним, тобто відбувалося при постійних значеннях тисків по обидва боки дроселя, необхідний будь-якої насос (компресор), який підтримував би постійними ці тиску. Цей компресор виробляє зовнішню роботу стиснення газу. Цим процес дроселювання відрізняється від розширення газу в порожнечу, при якому зовнішня робота дорівнює нулю. Явище зміни температури газу при його адіабатні розширенні дросселированием від одного постійного тиску до іншого називається ефектом Джоуля - Томсона. Зміна температури неідеального газу в процесі Джоуля - Томсона пояснюється тим, що при розширенні газу збільшується відстань між молекулами і, отже, відбувається внутрішня робота проти сил взаємодії між молекулами. За рахунок цієї роботи змінюється кінетична енергія молекул, а, отже, і температура газу. В ідеальному газі, де сили взаємодії молекул дорівнюють нулю, ефекту Джоуля - Томсона немає.
В історично першій машині для скраплення газів (повітря) в технічних масштабах (Лінде і Гемпсон, 1895 г.) для охолодження газів нижче критичної температури і подальшого зрідження використовувався метод дроселювання. Наведемо схему машини Лінде (рис.1), в якій крім ефекту Джоуля - Томсона був застосований важливий конструктивний принцип противоточного теплообміну і тепер застосовується в усіх ожіжітельних машинах.
Повітря надходить в компресор K, в якому він стискається до 200 атм. Після цього він проходить через змійовик, що охолоджується проточною водою, де він віддає тепло, що виділилося при стисненні. Таким чином, в подальший шлях до зрідження йде стиснений газ з температурою такий же, як і до стиснення. Цей газ проходить потім через змійовик ab до дросельного вентиля (крана) V1 і розширюється через нього в приймач f до тиску в 1 атм. При цьому розширенні газ кілька охолоджується, але не настільки, щоб перетворитися в рідину. Охолоджений, але не зріджують газ повертається потім назад через змійовик cd. Обидва змійовика, ab і cd, розташовані один щодо одного так, що між ними, а також між порціями газу, що проходять по ним, існує теплової контакт. Завдяки цьому випробував розширення і охолодження газ охолоджує йде йому назустріч порцію стисненого газу, якій ще належить розширитися через вентиль V1. В цьому і полягає метод противоточного обміну теплом.
Рис.1. Схема машини Лінде
Ясно, що друга порція газу підійде до розширювального вентиля V1, маючи більш низьку температуру, ніж перша, а після дроселювання вона ще більше знизитися. Таким чином, до вентиля буде підходити все більш холодний газ. Через деякий час після початку роботи машини поступове охолодження газу холодними зустрічними потоками приведе до того, що газ при черговому дроселюванні почне частково скраплюватися і накопичуватися в приймачі f, звідки він може бути злитий через кран V2 в посудину для зберігання зріджених газів (посудина Дьюара).
При сталим процесі роботи машини в різних її місцях спостерігаються приблизно такі температури: біля входу в змійовик ab температура 293 К (кімнатна); на виході з цього змійовика 170 К; після дроселювання 80 К, біля входу в змійовик cd 80 К; на виході з нього - кімнатна температура. Тиск перед вентилем 200 атм, після дроселювання 1 атм.
Пристрій, що включає обидва змійовика ab і cd, в якому відбувається охолодження газу зустрічним потоком охолодженого газу, називається теплообмінником. У машині Лінде теплообмінник здійснюється у вигляді вставлених одна в іншу трубок, яким разом надавалася форма змійовика. Газ високого тиску надходить по внутрішній трубці. Зустрічний потік охолодженого газу низького тиску проходить по зовнішній трубці, омиваючи внутрішню і охолоджуючи, таким чином, газ в ній.
Другий метод зрідження газів називається методом Клода, він заснований на методі адиабатного розширення в детандерах. Розглянемо його принципова відмінність від методу Лінде.
При дроселюванні газу охолодження досягається за рахунок внутрішньої роботи, яку здійснюють газом проти сил тяжіння між молекулами. Як відомо, охолодження газу відбувається і в тому випадку, коли він адіабатно розширюється, здійснюючи зовнішню роботу. Газ, розширюючись і здійснюючи при цьому роботу, зменшує свою внутрішню енергію, а значить, і температуру. Це в рівній мірі відноситься і до ідеального, і до реального газам. Причиною охолодження газу при здійсненні ним зовнішньої роботи є зменшення швидкостей молекул при їх ударах про віддаляється від них поршень, з яким вони передають частину своєї кінетичної енергії. Охолодження при адіабатні розширенні з вчиненням зовнішньої роботи повинно бути більш ефективним, ніж при дроселюванні, так як адіабатне розширення - процес оборотний, в той час як ефект Джоуля - Томсона - процес незворотний. А, як відомо, оборотність процесів в машині забезпечує великий коефіцієнт корисної дії. Частина, в якій відбувається розширення газу, називається детандером.
Вперше така машина для скраплення газів (рис.2) була побудована Клодом в 1902 році для скраплення повітря.
скраплений газ метод Лінде
Рис.2. Схема машини Клода
Розглянемо принцип дії цієї машини. Газ піддається ізотермічного стиску в компресорі K, звідки він надходить в теплообмінник E1. Тут він розділяється на два потоки (в точці O). Перший йде через теплообмінник E2 до дросельного вентиля і піддається дроселювання з охолодженням за рахунок ефекту Джоуля - Томсона; другий потік (на його частку припадає 80% газу) надходить в детандер, розширюється в ньому, здійснюючи роботу, і за цей рахунок охолоджується. З детандера охолоджений газ повертається в теплообмінник E1, охолоджуючи зустрічну чергову порцію стисненого газу. До нього в точці Oґ приєднується і той газ, який охолов в результаті дроселювання. До цього він, проходячи через теплообмінник E2, теж охолоджував зустрічний газовий потік. Таким чином, з опису методу Клода видно, що охолодження в детандере використовується для попереднього охолодження перед дроселюванням.
У першій машині Клода детандер був поршневу машину. Роботу, яку в ній робить стиснений газ, можна використовувати для полегшення роботи компресора, для примусової мастила машини і т. Д.
Умови, характерні для машини Клода (ожіжающего повітря), приблизно такі: тиск на виході з компресора 40 атм, температура на вході в детандер (після охолодження в теплообміннику E1) 200 К; температура після розширення в детандере 110 С при тиску в 1 атм.
У порівнянні з методом адіабатичного охолодження метод, заснований на ефекті Джоуля - Томсона, володіє більшою простотою. У ньому не виникає проблеми мастила, оскільки використовувана апаратура не містить ніяких рухомих частин, що працюють при низьких температурах. Однак за цю простоту доводиться платити величезною втратою ефективності охолодження і необхідністю працювати при високому тиску з використанням великої кількості газу. Охолодження, яке можна отримати адиабатическим розширенням, зазвичай багато більше того, що дає ефект Джоуля - Томсона. Але при цьому зустрічаються істотні труднощі, пов'язані зі змазкою рухомих вузлів: при низьких температурах масло замерзає. Наприклад, Клод застосовував прокладки з сухої знежиреної шкіри. Роль змащення грав сам повітря, що просочується в невеликій кількості між ущільненням поршня і стінками циліндра [3].
3. Використання зріджених газів
Зріджування газів має технічне та наукове значення. Скраплення повітря використовується в техніці для поділу повітря на складові частини. Метод заснований на тому, що різні гази, з яких складається повітря, киплять при різних температурах. Найбільш низькі температури кипіння мають гелій, неон, азот, аргон. У кисню температура кипіння трохи вище, ніж у аргону. Тому спочатку випаровується гелій, неон, азот, а потім аргон, кисень.
Зріджені гази знаходять широке застосування в техніці. Азот йде для отримання аміаку і азотних солей, що вживаються в сільському господарстві для удобрення грунту. Аргон, неон і інші інертні гази використовуються для наповнення електричних ламп розжарювання, а також газосвітних ламп. Найбільше застосування має кисень. У суміші з ацетиленом або воднем він дає полум'я дуже високої температури, що застосовується для різання і зварювання металів. Вдування кисню (кисневе дуття) прискорює металургійні процеси. Доставляється з аптек в подушках кисень діє як знеболююче. Особливо важливим є застосування рідкого кисню в якості окислювача для двигунів космічних ракет.
Рідкий водень використовується як паливо в космічних ракетах. Наприклад, для заправки американської ракети «Сатурн - 5» потрібно 90т рідкого водню.
Рідкий аміак знайшов широке застосування в холодильниках - величезних складах, де зберігаються швидкопсувні продукти. Охолодження, що виникає при випаровуванні зріджених газів, використовують в рефрижераторах при перевезенні швидкопсувних продуктів.
Гази, що застосовуються в промисловості, медицині і т. П. Легше перевозити, коли вони знаходяться в зрідженому стані, так як при цьому в тому ж обсязі полягає більшу кількість речовини.
У виконану роботу я розглянула природу явища і властивості зріджених газів, а також 2 основні методи, за допомогою яких зріджують гази. Порівнявши обидва методи, я з'ясувала, що найбільш простий і безпечний метод Лінде, але метод Клода є ефективніше, тобто має високий коефіцієнт корисної дії, хоч і виникає проблема з мастилом рухомих вузлів. Далі були розглянуті області застосування зріджених газів. Зріджені гази застосовуються не тільки в техніці, медицині та сільському господарстві, а й в науці. За допомогою зріджених газів досліджуються властивості інших речовин при температурі близькій до абсолютного нуля, коли руху молекул в речовині мінімальні.
Список використаної літератури
2. Кикоин А.К. Кикоин І.К. Молекулярна фізика. М. Наука 1976. 480 с.
3. Сивухин Д.І. Загальний курс фізики. Термодинаміка і молекулярна фізика. М. Наука 1979. 552 с.