При каком давлении воздух становится жидким
Содержание статьи
При каком давлении воздух переходит в жидкое состояние
При каком давлении воздух переходит в жидкое состояние
3. Сжижение газов
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.
| Название газа | Плотность (воздуха = 1) | Вес 1 литра в г при 0°С и 760 мм | 1 кг газа = литрам газа | Уд. вес жидкого газа при темпер. 15°С вода = 1 (4°) | Давление паров жидкого газа при 150 атм | Точка кипения °С | Точка плавления °С | Критич. температура °С | Критич. давление атм |
| Азот | 0,9701 | 1,2542 | 789 | 0,7914 (-196°) | — | 196° | -211° | -147° | 34 |
| Аммиак | 0,5895 | 0,7621 | 1 312 | 0,6138 | 7,14 | -38,5° | -75° | -132° | 112 |
| Аргон | 1,379 | 1,782 | 561 | 1,212 (-186°) | — | -186° | -190° | -121° | 51 |
| Ацетилен | 0,8988 | 1,620 | 617 | 0,420 (10°) | 37,9 | -84° | -81° | 37° | 68 |
| Водород | 0,0697 | 0,0900 | 11 106 | 0,0763 (-253°) | — | -259° | -253° | -239° | 12 |
| Гелий | 0,1382 | 0,1787 | 5 596 | 0,122 (-269°) | — | -269° | -272° | -268° | 2 |
| Двуокись азота | 3,1812 | 4,1126 | 243 | 1,451 | 0,76 | 26° | 11° | 171° | 100 |
| Двуокись серы | 2,2131 | 2,8611 | 350 | 1,3964 | 2,72 | -10° | -79° | 157° | 78 |
| Двуокись углерода | 1,5201 | 1,9652 | 509 | 0,814 | 52,17 | -78° | -65° | 31,1° | 73 |
| Закись азота | 1,5229 | 1,9688 | 508 | 0,800 | 49,77 | -90° | -115° | 36° | 75 |
| Кислород | 1,1055 | 1,4292 | 700 | 0,106 (-183°) | — | -183° | -218° | -119° | 51 |
| Криптон | 2,868 | 3,654 | 274 | 2,16 (-152°) | — | -152° | -169° | -63° | 54 |
| Ксенон | 4,49 | 5,717 | 175 | 3,52 (107°) | — | -107° | -140° | 15° | 57 |
| Метан | 0,5539 | 0,7160 | 1 396 | 0,466 (-160°) | — | -160° | -184° | -96° | 50 |
| Метиламин | 1,0737 | 1,388 | 720 | 0,699 (-11°) | — | -6° | — | 155° | 72 |
| Неон | 0,695 | 0,9004 | 1 111 | 0,456 (-233°) | — | -233° | -253° | -228° | 27 |
| Окись углерода | 0,9673 | 1,2506 | 800 | 0,7676 (-184°) | — | -190° | -207° | -140° | 36 |
| Фосген | 3,4168 | 4,4172 | 227 | 1,392 | 1,35 | 8,2° | -118° | — | — |
| Хлор | 2,4494 | 3,1666 | 316 | 1,4273 | 5,75 | -33,6° | -102° | 146° | 94 |
| Хлористый метил | 1,7438 | 2,2543 | 443 | 0,917 (17°) | 4,10 | -24° | -104° | 142° | 73 |
| Хлористый этил | 2,2280 | 2,8804 | 347 | 0,921 (0°) | 1,09 | 12,5° | -143° | 182° | 54 |
| Этиламин | 1,558 | 2,0141 | 497 | 0,689 | 0,9 | 18° | -85° | 177° | 66 |
| Этилен | 0,9684 | 1,252 | 798 | 0,310 (6°) | 46 (6°) | -103° | -169° | 10° | 51 |
| Этан | 1,038 | 1,3421 | 746 | 0,466 | 32,3 | -84° | -171° | 35° | 45 |
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.
Абсолютный нуль (точно — 273,16°С = 0°К) — это нижний предел температуры. При этой температуре, согласно кинетической теории, все молекулы находятся в покое. Аналогичный верхний предел температуры по-видимому не существует. На звездах были спектроскопически обнаружены температуры во много миллионов градусов. Однако пока нам удалось достигнуть максимальной температуры около 5000°С.
Сжижение газов является в настоящее время важной отраслью химической промышленности. Так напр., сжижается воздух, и из него при помощи фракционированной дистилляции получается кислород, азот и редкие газы. Сжижается хлор и в жидком виде транспортируется в стальных баллонах на отбельные заводы. Жидкие сернистый ангидрит, аммиак и другие жидкие газы применяются в холодильных установках. Их действие заключается в том, что сильно сжатому компрессором и охлажденному газу представляется возможность сразу расшириться (в пространстве, из которого компрессором отсасывается воздух через так наз. редукционный клапан); в результате этого газ так сильно охлаждается, что превращается в жидкость (явление Джоуля-Томсона). Испарением жидкого газа охлаждается рассол (крепкий солевой раствор), который затем распределяется по помещениям, предназначенным для охлаждения.
Технически важные газы транспортируются в стальных баллонах, которые согласно нормам должны быть сделаны из хорошей стали методом Маннесмана (как бесшовные трубы). В них можно транспортировать: сжатые газы (до 150 ат), а именно кислород, водород, азот, окись углерода, метан, водяной газ, светильный газ и воздух, а также жидкие газы (их критическая температура так высока, что и при относительно высоком давлении они остаются жидкими), а именно сернистый ангидрид, закись азота, углекислый газ, хлор, фосген, аммиак, масляный газ, и газы растворенные, как ацетилен.
Новые стальные баллоны нельзя наполнять, пока они тщательно не проверены, особенно на давление. Проверка на давление производится периодически (ацетиленовые баллоны проверяются сжатым азотом, прочие — гидравлическим давлением) и на каждом баллоне отмечается меткой. Все баллоны необходимо отметить цветной полосой (кислород — синей, водород — цвета красной киновари, азот — зеленой, аммиак — фиолетовой, углекислый газ — красной, ацетилен — белой, хлор — желтой, воздух — серебряно-алюминиевым покрытием и т. д.). Цветные полосы должны быть шириной в 10 см и находиться под верхней закругленной кромкой баллона. Баллоны закрыты затворными клапанами, которые предохраняются металлическими колпачками. Нарезки затворных клапанов для горючих газов нарезаются левой резьбой, для газов негорючих — правой. К главному клапану присоединяется устройство с редуктором, на котором находятся два манометра. Один показывает давление в баллоне, другой — давление выпускаемого газа.
Стальные баллоны необходимо оберегать от ударов (при транспортировке) и нельзя подвергать действию высокой температуры (оставлять на солнце или вблизи от отопительной установки или печи). У кислородных баллонов нарезки нужно смазывать не смазочным маслом, а глицерином.
Источник
§ 6.7. Сжижение газов
Первый газ (аммиак) был обращен в жидкость уже в 1799 г. Дальнейшие успехи в сжижении газов связаны с именем английского 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.
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.
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. Л. 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.
Источник
Источник
Сжижение газов
У этого термина существуют и другие значения, см. Сжиженный газ.
Сжиже́ние га́зов 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 нормальном атмосферном давлении. Однако, для некоторых газов достаточно определённого повышения давления (углекислый газ, бутан, пропан, аммиак, хлор). Другие (кислород, водород, аргон, гелий, азот и т. д.) находятся в баллонах в сжатом состоянии. Дело в том, что газ не может быть сжижен при сколь угодно высоком давлении, если его температура выше так называемой критической температуры. Первыми были сжижены газы с критической температурой значительно выше комнатной (аммиак, сернистый газ, углекислый газ и пр.), при этом было достаточно одного повышения давления.
Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса показывает, что всякий газ может быть переведен в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. (углекислый газ, например, можно сжижить при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1 °C. То же можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор[1].
Сжижение используется для изучения фундаментальных свойств молекул газа (например, межмолекулярных сил взаимодействия), для хранения газов. Газы сжижаются в специальных конденсаторах, которые выделяют теплоту парообразования, и переводятся в газообразное состояние в испарителях, где теплота парообразования поглощается[2][3]
Физические основы сжижения газов[править | править код]
Все вещества, в том числе и те, которые в «обычных земных условиях» находятся в газообразном состоянии, могут находиться в трёх основных состояниях — жидком, твёрдом и газообразном. Каждое из веществ ведёт себя согласно своей фазовой диаграмме, общий вид которой для всех веществ похож. Согласно этой диаграмме, для сжижения газа необходимо либо понижение температуры, либо увеличение давления, или изменение обоих этих параметров.
Сжижение газов — сложный процесс, который включает в себя множество сжатий и расширений газа для достижения высокого давления и низких температур, используя, например, детандеры.
Применение сжиженных газов[править | править код]
Жидкий кислород применяется в больницах для преобразования в газообразное состояние и последующего использования пациентами, имеющими проблемы с дыханием. Жидкий азот используется в медицине в криохирургии, а также в области экстракорпорального оплодотворения для замораживания спермы.
Хлор транспортируется в жидком состоянии, после чего он используется для обеззараживания воды, санитарной обработки промышленных отходов и нечистот, отбеливания тканей и многих других целей. Хлор был использован в качестве химического оружия во время Первой мировой войны, и это вещество находилось в снарядах в жидком состоянии, и при разрушении защитной оболочки хлор переходил в газообразное состояние.
За сжижение гелия (4He) по циклу Хампсона-Линда (цикл основан на эффекте Джоуля-Томсона) голландский учёный Камерлинг-Оннес Хейке получил Нобелевскую премию в 1913 году. При атмосферном давлении температура кипения жидкого гелия составляет 4,22 K (−268,93 °C). При температуре ниже 2,17 K жидкий 4He приобретает сверхтекучести, за открытие которой советский учёный П. Л. Капица получил Нобелевскую премию в 1978 году. Жидкий гелий в сверхтекучем состоянии приобретает совершенно новые свойства, такие как нулевая вязкость.
Сжижение воздуха используется для получения азота, кислорода и аргона путём разделения компонентов воздуха в процессе дистилляции.
Жидкий водород используется в качестве ракетного топлива.
См. также[править | править код]
- Сжиженные углеводородные газы
- Криогеника
- Псевдоожижение
Примечания[править | править код]
Источник
При каком давлении сжижают воздух
При каком давлении сжижают воздух
3. Сжижение газов
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.
| Название газа | Плотность (воздуха = 1) | Вес 1 литра в г при 0°С и 760 мм | 1 кг газа = литрам газа | Уд. вес жидкого газа при темпер. 15°С вода = 1 (4°) | Давление паров жидкого газа при 150 атм | Точка кипения °С | Точка плавления °С | Критич. температура °С | Критич. давление атм |
| Азот | 0,9701 | 1,2542 | 789 | 0,7914 (-196°) | — | 196° | -211° | -147° | 34 |
| Аммиак | 0,5895 | 0,7621 | 1 312 | 0,6138 | 7,14 | -38,5° | -75° | -132° | 112 |
| Аргон | 1,379 | 1,782 | 561 | 1,212 (-186°) | — | -186° | -190° | -121° | 51 |
| Ацетилен | 0,8988 | 1,620 | 617 | 0,420 (10°) | 37,9 | -84° | -81° | 37° | 68 |
| Водород | 0,0697 | 0,0900 | 11 106 | 0,0763 (-253°) | — | -259° | -253° | -239° | 12 |
| Гелий | 0,1382 | 0,1787 | 5 596 | 0,122 (-269°) | — | -269° | -272° | -268° | 2 |
| Двуокись азота | 3,1812 | 4,1126 | 243 | 1,451 | 0,76 | 26° | 11° | 171° | 100 |
| Двуокись серы | 2,2131 | 2,8611 | 350 | 1,3964 | 2,72 | -10° | -79° | 157° | 78 |
| Двуокись углерода | 1,5201 | 1,9652 | 509 | 0,814 | 52,17 | -78° | -65° | 31,1° | 73 |
| Закись азота | 1,5229 | 1,9688 | 508 | 0,800 | 49,77 | -90° | -115° | 36° | 75 |
| Кислород | 1,1055 | 1,4292 | 700 | 0,106 (-183°) | — | -183° | -218° | -119° | 51 |
| Криптон | 2,868 | 3,654 | 274 | 2,16 (-152°) | — | -152° | -169° | -63° | 54 |
| Ксенон | 4,49 | 5,717 | 175 | 3,52 (107°) | — | -107° | -140° | 15° | 57 |
| Метан | 0,5539 | 0,7160 | 1 396 | 0,466 (-160°) | — | -160° | -184° | -96° | 50 |
| Метиламин | 1,0737 | 1,388 | 720 | 0,699 (-11°) | — | -6° | — | 155° | 72 |
| Неон | 0,695 | 0,9004 | 1 111 | 0,456 (-233°) | — | -233° | -253° | -228° | 27 |
| Окись углерода | 0,9673 | 1,2506 | 800 | 0,7676 (-184°) | — | -190° | -207° | -140° | 36 |
| Фосген | 3,4168 | 4,4172 | 227 | 1,392 | 1,35 | 8,2° | -118° | — | — |
| Хлор | 2,4494 | 3,1666 | 316 | 1,4273 | 5,75 | -33,6° | -102° | 146° | 94 |
| Хлористый метил | 1,7438 | 2,2543 | 443 | 0,917 (17°) | 4,10 | -24° | -104° | 142° | 73 |
| Хлористый этил | 2,2280 | 2,8804 | 347 | 0,921 (0°) | 1,09 | 12,5° | -143° | 182° | 54 |
| Этиламин | 1,558 | 2,0141 | 497 | 0,689 | 0,9 | 18° | -85° | 177° | 66 |
| Этилен | 0,9684 | 1,252 | 798 | 0,310 (6°) | 46 (6°) | -103° | -169° | 10° | 51 |
| Этан | 1,038 | 1,3421 | 746 | 0,466 | 32,3 | -84° | -171° | 35° | 45 |
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.
Абсолютный нуль (точно — 273,16°С = 0°К) — это нижний предел температуры. При этой температуре, согласно кинетической теории, все молекулы находятся в покое. Аналогичный верхний предел температуры по-видимому не существует. На звездах были спектроскопически обнаружены температуры во много миллионов градусов. Однако пока нам удалось достигнуть максимальной температуры около 5000°С.
Сжижение газов является в настоящее время важной отраслью химической промышленности. Так напр., сжижается воздух, и из него при помощи фракционированной дистилляции получается кислород, азот и редкие газы. Сжижается хлор и в жидком виде транспортируется в стальных баллонах на отбельные заводы. Жидкие сернистый ангидрит, аммиак и другие жидкие газы применяются в холодильных установках. Их действие заключается в том, что сильно сжатому компрессором и охлажденному газу представляется возможность сразу расшириться (в пространстве, из которого компрессором отсасывается воздух через так наз. редукционный клапан); в результате этого газ так сильно охлаждается, что превращается в жидкость (явление Джоуля-Томсона). Испарением жидкого газа охлаждается рассол (крепкий солевой раствор), который затем распределяется по помещениям, предназначенным для охлаждения.
Технически важные газы транспортируются в стальных баллонах, которые согласно нормам должны быть сделаны из хорошей стали методом Маннесмана (как бесшовные трубы). В них можно транспортировать: сжатые газы (до 150 ат), а именно кислород, водород, азот, окись углерода, метан, водяной газ, светильный газ и воздух, а также жидкие газы (их критическая температура так высока, что и при относительно высоком давлении они остаются жидкими), а именно сернистый ангидрид, закись азота, углекислый газ, хлор, фосген, аммиак, масляный газ, и газы растворенные, как ацетилен.
Новые стальные баллоны нельзя наполнять, пока они тщательно не проверены, особенно на давление. Проверка на давление производится периодически (ацетиленовые баллоны проверяются сжатым азотом, прочие — гидравлическим давлением) и на каждом баллоне отмечается меткой. Все баллоны необходимо отметить цветной полосой (кислород — синей, водород — цвета красной киновари, азот — зеленой, аммиак — фиолетовой, углекислый газ — красной, ацетилен — белой, хлор — желтой, воздух — серебряно-алюминиевым покрытием и т. д.). Цветные полосы должны быть шириной в 10 см и находиться под верхней закругленной кромкой баллона. Баллоны закрыты затворными клапанами, которые предохраняются металлическими колпачками. Нарезки затворных клапанов для горючих газов нарезаются левой резьбой, для газов негорючих — правой. К главному клапану присоединяется устройство с редуктором, на котором находятся два манометра. Один показывает давление в баллоне, другой — давление выпускаемого газа.
Стальные баллоны необходимо оберегать от ударов (при транспортировке) и нельзя подвергать действию высокой температуры (оставлять на солнце или вблизи от отопительной установки или печи). У кислородных баллонов нарезки нужно смазывать не смазочным маслом, а глицерином.
Источник
Сжатый воздух
Воздух, находящийся под давлением выше атмосферного, называют сжатым.
Сжатый воздух — газ, который используется в качестве кинематического звена в пневмоприводе. Для сжатия воздуха используются объемные или динамические компрессоры. Воздух, как и жидкость является текучей средой и передает давление в одинаковой мере во всех направлениях.
Физические параметры воздуха
Давление
Нормальное напряжение сжатия называется давлением. Оно моет измеряться по избыточной или абсолютной шкале. В избыточной шкале за 0 принято давление атмосферы, получается, что абсолютное и избыточное давление связаны зависимостью:
Давление характеризует степень сжатия воздуха. Чем выше давление тем значительнее сжат воздух.
В пневматических системах обычно используется сжатый воздух под давлением 0,4 — 1 МПа (по избыточной шкале).
Сжимаемость
Сжимаемость воздуха характеризуется уменьшением его объема при увеличении давления.
Плотность
Отношение массы воздуха к его объему называют плотностью. Она изменяется при сжатии воздуха.
Воздух, как и любой другой газ занимает весь предоставленный ему объем.
Удельный вес
Отношение объема воздуха к его массе называют удельным весом.
Температура
Температуру воздуха измеряют в градусах Кельвина или Цельсия. Под нормальными условиями понимают состояние воздуха при температуре.
При сжатии воздуха его температура возрастает, при расширении — снижается.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость — отношение количества теплоты, сообщенной единицы массы воздуха, к соответствующему изменению температуры.
Вязкость
Свойство воздуха оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого называют вязкостью. Кинематическая вязкость воздуха значительно ниже вязкости жидкости и находится в пределе 0,001 — 0,0017 м 2 /c.
Расход воздуха
Расход — количество воздуха проходящее через сечение, перпендикулярное линиям тока, в единицу времени
Объемный расход — объем газа, проходящий через сечение в единицу времени.
Массовый расход — масса газа, проходящий через сечение в единицу времени.
Массовый и объемный расходы связаны зависимостью.
Взаимосвязь между физическими величинами, характеризующими состояние воздуха отражена в уравнении состояния Клайперона-Менделеева.
Особенности сжатого воздуха, как кинематического звена пневмопривода
Воздух имеет существенные отличия от жидкости, обосабливающие пневматический привод от гидравлического.
Воздух сжимаем (жидкость малосжимаема, а в большинстве инженерных расчетов считается несжимаемой), плотность воздуха может изменяться. При увеличении давления плотность воздуха возрастет, при уменьшении — снижается.
Воздух безопасен с точки зрения пожарной безопасности, поэтому может использоваться, в условиях, опасных по воспламенению газа, пыли и т.д.
Пневматический привод обладает высоким быстродействием, которое удается достичь благодаря малой инерционности сжатого воздуха, и обеспечении им демпфирующего эффекта.
Источник
Жидкий воздух — основа для получения чистого кислорода
Так как все газы имеют несколько агрегатных состояний и могут быть сжижены, то воздух, состоящий из смеси газов, тоже может стать жидкостью. В основном жидкий воздух производят для выделения из него чистого кислорода, азота и аргона.
Немного истории
До 19 века ученые считали, что газ имеет лишь одно агрегатное состояние, но доводить воздух до жидкого состояния научились уже в начале прошлого века. Это делалось при помощи машины Линде, основными частями которой были компрессор (электродвигатель, снабженный насосом) и теплообменник, представленный в виде двух свернутых в спираль трубок, одна из которых проходила внутри другой. Третьим компонентом конструкции был термос, внутри него и собирался сжиженный газ. Детали машины покрывались теплоизоляционными материалами, чтобы предотвратить доступ к газу теплоты извне. Находящаяся вблизи горловины внутренняя трубка оканчивалась дросселем.
Работа газа
Технология получения сжиженного воздуха довольно проста. Сначала смесь газов очищают от пыли, частиц воды, а также от углекислого газа. Есть еще одна важная составляющая, без которой не получится произвести жидкий воздух, — давление. С помощью компрессора воздух сжимают до 200-250 атмосфер, одновременно охлаждая его водой. Далее воздух идет через первый теплообменник, после чего делится на два потока, больший из которых идет в детандер. Этим термином называют поршневую машину, которая работает за счет расширения газа. Она преобразовывает потенциальную энергию в механическую, и газ охлаждается, потому что совершает работу.
Далее воздух, омыв два теплообменника и тем самым охладив второй поток, идущий навстречу, выходит наружу и собирается в термосе.
Турбодетандер
Несмотря на кажущуюся простоту, применение детандера невозможно в промышленных масштабах. Полученный путем дросселирования через тонкую трубку газ оказывается слишком дорог, получение его недостаточно эффективно и энергозатратно, а следовательно неприемлемо для промышленности. В начале прошлого века стоял вопрос об упрощении выплавки чугуна, и для этого было выдвинуто предложение делать поддув из воздуха с высоким содержанием кислорода. Таким образом возник вопрос и о промышленной добыче последнего.
Поршневой детандер быстро забивается водяным льдом, поэтому воздух нужно предварительно осушить, что делает процесс сложнее и дороже. Решить проблему помогла разработка турбодетандера, использующего вместо поршня турбину. Позднее турбодетандеры нашли применение в процессе получения и других газов.
Применение
Сам жидкий воздух как таковой нигде не используется, это промежуточный продукт в получении чистых газов.
Принцип выделения составляющих основан на разнице в кипении составных частей смеси: кислород закипает при -183°, а азот при -196°. Температура жидкого воздуха ниже двухсот градусов, и нагревая его, можно производить разделение.
Когда жидкий воздух начинает медленно испаряться, первым улетучивается азот, а после того, как его основная часть уже испарилась, при температуре -183° закипает кислород. Дело в том, что пока азот остается в смеси, она не может продолжить нагреваться, даже если использовать дополнительный подогрев, но как только большая часть азота улетучится, смесь быстро достигнет температуры кипения следующей части смеси, то есть кислорода.
Очищение
Однако таким путем невозможно получить чистые кислород и азот за одну операцию. Воздух в жидком состоянии на первой стадии перегонки содержит около 78 % азота и 21 % кислорода, однако чем дальше идет процесс и чем меньше азота остается в жидкости, тем больше вместе с ним будет испаряться и кислорода. Когда концентрация азота в жидкости падает до 50 %, содержание кислорода в парах увеличивается до 20 %. Поэтому испаренные газы вновь конденсируют и подвергают перегонке во второй раз. Чем больше было перегонок, тем чище будут полученные продукты.
В промышленности
Испарение и конденсация — это два противоположных процесса. При первом жидкость должна затратить тепло, а при втором — тепло будет выделяться. В случае если нет потери тепла, то теплота, выделяемая и потребляемая во время этих процессов, равна. Таким образом объем сконденсированного кислорода будет практически равен объему испаренного азота. Этот процесс называется ректификацией. Смесь двух газов, образованная вследствие испарения жидкого воздуха, снова пропускается через него, и некоторая часть кислорода переходит в конденсат, отдавая при этом тепло, за счет чего испаряется некоторая часть азота. Процесс повторяется множество раз.
Промышленное получение азота и кислорода происходит в так называемых ректификационных колоннах.
Интересные факты
При контакте с жидким кислородом многие материалы становятся хрупкими. К тому же жидкий кислород — очень мощный окислитель, поэтому, попав в него, органические вещества сгорают, выделяя много тепла. При пропитке жидким кислородом некоторые из этих веществ приобретают неконтролируемые взрывоопасные свойства. Такое поведение свойственно нефтепродуктам, к которым относится обычный асфальт.
Источник
Источник