28. СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Анализ уравнения Ван-дер-Ваальса показывает, что все вещества при понижении их температуры ниже критической могут быть превращены в жидкость простым увеличением давления.

В таблице 12 приведены критические температуры и давления некоторых веществ.

Таблица 12 (см. скан) Критические температуры и давления некоторых веществ

Впервые получить газообразное вещество в жидком состоянии удалось М. Фарадею (1791—1867), превратившему в 1823 году газ хлор в жидкость. Легко превращается в жидкость углекислота. Гораздо труднее сжижаются газы с низкой критической температурой: азот, кислород, водород, гелий.

В конце XIX века было предложено использовать для сжижения газов эффект Джоуля-Томсона.

Эта мысль была высказана независимо друг от друга в Англии Дьюаром и в Германии Линде.

Понижение температуры, обусловленное эффектом Джоуля—Томсона, обычно невелико. При нуле градусов и средних давлениях воздух, например, охлаждается всего на 0,26 градуса при уменьшении давления на Однако при температуре —100°С и давлении воздух, расширяясь до давления охлаждается на 93° градуса.

Рис. 42. Схема машины Линде.

В машине Линде, предложенной для получения жидкою воздуха (рис. 42), последний в газообразном виде сжимается компрессором до давления порядка После охлаждения в обычном холодильнике сжатый воздух поступает в змеевик 1, состоящий из нескольких труб, расположенных одна внутри другой. Проходя по внутренней трубе, воздух подвергается дросселированию, т. е. внезапному расширению, в результате которого его температура понижается. Охлажденный воздух направляется по внешней трубе навстречу воздуху, идущему на дросселирование. В результате теплообмена температура воздуха, идущего по внутренней трубе, понижается. Подобное устройство машины обеспечивает непрерывное понижение температуры воздуха, поступающего на дросселирование, до тех пор, пока внезапное расширение при дросселировании и связанное с ним понижение температуры не вызовут его конденсацию.

Жидкий воздух собирается в специальном приемнике, представляющем собой большой дьюаровский сосуд (2, рис. 42).

Для сжижения водорода в машине Линде его необходимо предварительно охладить жидким воздухом ниже температуры инверсии.

Особенно трудно сжижается гелий, имеющий самую низкую критическую температуру —267,9°С и температуру инверсии

Заставляя жидкий гелий кипеть при пониженном давлении, удается достичь температуры, всего на несколько десятых долей градуса отличающейся от абсолютного нуля. Для дальнейшего понижения температуры в кипящий гелий помещают кусок железа и намагничивают его в магнитном поле. Если теперь быстро прекратить действие магнитного поля, то железо размагнитится.

Размагничивание железа связано с затратой энергии, которая черпается из окружающей среды в форме теплоты. Таким способом удалось достигнуть температур, отличающихся от абсолютного нуля на тысячные доли градуса.

Понижение температуры, необходимое для сжижения газа, можно осуществить также, заставляя охлаждаемый газ совершать работу не только против внутренних сил, обусловленных молекулярным сцеплением, но и против внешних сил. Охлаждение в этом случае происходит более эффективно. Машины, предназначенные для этой цели, называют детандерами. Поршневые детандеры напоминают своим устройством паровые машины с той разницей, что в них пар заменен сжатым газом.

Советский ученый П. Л. Капица сконструировал детандер, напоминающий своим устройством турбину. Ротор турбодетандера Капицы делает около

Работа, совершаемая воздухом в турбодетандере, вызывает столь интенсивное охлаждение его, что часть воздуха сжижается. При одинаковой производительности турбодетандер в несколько раз меньше поршневого детандера.