Газ превращается в жидкость

Для испарения любой жидкости к ней надо подвести тепло (его называют теплотой испарения). Испарение жидкого азота, жидкого водорода или жидкого гелия происходит при низких температурах. Поэтому тело, от которого будет взято тепло для испарения жидкого газа, охладится до низкой температуры этого газа. В жидком азоте тело можно охладить до 77 К, в жидком водороде - до 21 К.

Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К выше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный легкий изотоп гелия ³Не.

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур - это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Первый метод - дросселирование, т. е. расширение сжатого газа без совершения работы при прохождении через дроссельный вентиль. При таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, и газ охлаждается.

Этот метод применяется в простейших установках для сжижения газов. Газ сжимают компрессором, затем охлаждают в теплообменнике и расширяют с помощью дроссельного вентиля. При таком расширении часть газа сжижается.

У каждого газа есть определенная температурная точка - так называемая инверсионная температура. Если температура газа выше инверсионной, то газ при дросселировании будет нагреваться. Поэтому, чтобы газ сжижался при дросселировании, его надо предварительно охладить ниже инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (—80° С), а у гелия даже 23 К (—250 °С).

Рис. 1. Абсолютная температурная шкала.

При другом способе охлаждения сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в поршневом двигателе или в газовой турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбин, передают им свою энергию: скорость молекул сильно снижается и газ интенсивно охлаждается. Работа же расширяющегося газа передается электрическому генератору и может быть полезно использована.

Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. Турбинный детандер (турбодетандер) с высокой эффективностью расширения был создан советским ученым, академиком П. Л. Капицей. Эта машина сейчас широко используется во всем мире в установках для сжижения и разделения воздуха.

На рисунке 2 показано, как устроен аппарат для сжижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре до давления около 2 МПа (20 атм.). Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменниках и в ванне с жидким азотом. После этого большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11 - 12 К в теплообменниках и расширяется с помощью дроссельного вентиля. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике. Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, направляется в теплообменники для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. Таким путем сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух - своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Рис. 2. Устройство аппарата для сжижения гелия. (найти куда)

Жидкий гелий - бесцветная легкая жидкость, плотность которой примерно в 8 раз меньше, чем плотность воды. Он кипит под атмосферным давлением при температуре около 4 К. Его используют в лабораториях для охлаждения исследуемого вещества до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Водород, азот и другие газы сжижают теми же методами, но, соответственно, при более высокой температуре. Например, водород превращается в жидкость при температуре -252° С, азот при -196° С, метан при -161° С.

перейти к началу страницы