X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Физика низких температур, раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (-182,97 С, 90,19 К). Большинство обычных веществ с понижением температуры сначала переходит из газообразного состояния в жидкое, а затем из жидкого – в твердое. Поэтому получение, поддержание и изучение низких (криогенных) температур связано в первую очередь с ожижением газов и замораживанием жидкостей. В низкотемпературных исследованиях обычно пользуются ваннами из ожиженных газов.

Рис.1 Температурный диапазон криогенных ванн

Первые успешные опыты превращения газов в жидкое состояние провел английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867). Условия для сжижения газов определили (независимо друг от друга) Д. И. Менделеев и Т. Эндрюс. Воздух был впервые превращен в жидкое состояние Карлом Линде (1842 - 1934). При помощи жидкого воздуха Дж. Дьюару удалось в 1898 году обратить в жидкое состояние водород, а в 1908 г. Г. Камерлинг-Оннес с помощью водорода сжижил гелий.

Газы отличаются от жидких тел расстоянием между молекулами. Казалось бы поэтому, что для сжижения газа достаточно сблизить его молекулы, т. е. сильно сдавить газ. Однако оказалось, что это не так и что для превращения газа в жидкое состояние должна быть путем охлаждения газа снижена движущая (кинетическая) энергия молекул.

Опыт показал, что для каждого газа существует своя определенная максимальная температура, при которой можно превратить газ в жидкость при помощи давления. При температуре более высокой, чем эта температура, газ остается веществом газообразным и ни при каком давлении не превращается в жидкость. Эта температура называется критической температурой газа, а давление, которым при критической температуре можно газ превратить в жидкость, критическим давлением. Оба значения очень важны для любого газа. Так напр., у углекислого газа (СО₂) критическая температура 31,1°С, а критическое давление его - 73 ат. Это значит, что при 31,1°С углекислый газ можно превратить в жидкое тело давлением в 73 ат, тогда как при температуре выше 31,1°С простым сжатием углекислый газ нельзя превратить в жидкость.

Углекислый газ довольно легко превращается в жидкость, потому что его критическая температура сравнительно высока. Еще легче можно превратить в жидкость аммиак (NH₃) -132,4°С, 112 ат), сернистый ангидрид (SO₂) -157,7°С, 77,7 ат) или хлор (146°С, 94 ат). Большие затруднения обнаружились у азота (-147,1°С, 33,5 ат), кислорода (-119°С, 50 ат) и водорода (-239°С, 12,8 ат). При помощи жидкого водорода удалось превратить в жидкое состояние и гелий (-267,9°С, 2,26 ат), критическая температура которого приближается к абсолютной нулевой точке 0°К.

Ожижение газов

Каскадный процесс для ожижения газов был предложен швейцарским физиком Пикте и применен Ольшевским, Камерлинг-Оннесом и другими исследователями для достижения низких температур путем ожижения кислорода, азота и воздуха. Суть его в том, что температура понижается ступенями при помощи нескольких рефрижераторов компрессионного типа с разными рабочими веществами. Принцип действия одной ступени каскадного процесса поясняется схемой рис. 1. Сначала выбирается вещество (аммиак, диоксид серы, диоксид углерода или метилхлорид), которое можно ожижить при комнатной температуре (температуре водяной ванны на рис. 1) только за счет сжатия. Особенности процесса таковы: 1) газ сжимается компрессором так, что превращается в жидкость в змеевике бака системы водяного охлаждения; 2) теплота сжатия отводится системой водяного охлаждения; 3) образовавшаяся жидкость пропускается через клапан в испаритель, где кипит при пониженном давлении (тепло, необходимое для испарения, отбирается у окружающей среды, и возможностями такого отбора тепла определяется холодопроизводительность машины); 4) испарившийся газ поступает на вход компрессора и снова сжимается.

Рис.2 Парокомпрессионный рефрижератор. 1 – компрессор; 2 – вода; 3 – бак системы водяного охлаждения; 4 – дроссель; 5 – жидкость; 6 – испаритель (криостат)

Рабочим веществом первой ступени трехступенчатого каскадного процесса, примененного Камерлинг-Оннесом, был метилхлорид, а второй ступени – этилен. Первый испаритель служил для охлаждения входного сжатого этилена второй ступени, который ожижался в змеевике, погруженном в жидкий метилхлорид (-90° С). Испаритель второй ступени поддерживался при температуре около -160° С. В нем ожижался сжатый воздух третьей ступени.

Каскадный процесс, ныне устаревший, непригоден для ожижения водорода и гелия. Дело в том, что нет криогенной ванны, которая обеспечивала бы температуру испарителя, необходимую для ожижения водорода или гелия только путем сжатия.

УСПЕХИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

Техника низкотемпературного ожижения позволяет получать из воздуха чистый кислород и чистый азот. Чистый кислород применяется в медицине, авиации и ракетно-космической технике, для сварки и резки стали, в доменных печах и бессемеровских конвертерах (для повышения выхода стали). Инертные газы, такие, как неон и аргон, широко применяемые в электрических лампах всех видов и при электросварке, в чистом виде могут быть получены только низкотемпературными (криогенными) методами.

Литература

Онлайн энциклопедия [Электронный реcурc]. – Режим доступа: http://encyclopaedia.biga.ru

Библиотека по химии [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://chemlib.ru

Вологодская областная научная универсальная библиотека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.booksite.ru

Код для цитирования: Скопировать