§ 65. Сжижение газов. Эффект Джоуля-Томсона

Понятие критической температуры сыграло большую роль в физике низких температур и технике сжижения газов. Благодаря ему стало очевидным, что любой газ можно превратить в жидкость путем сжатия с предварительным охлаждением до температуры, меньшей критической.

Сжижать газы качали задолго до исследований Д. И. Менделеева, Эндрюса и Ван-дер-Ваальса. Однако далеко не все газы (азот, кислород, водород, гелий и многие другие) удавалось тогда превращать в жидкость. В связи с этим в середине XIX в. возникло представление, что существует два сорта газов: сжижаемые и несжижаемые («постоянные») газы. Это представление не находило никакого физического объяснения и противоречило общему закону диалектического материализма о переходе количества в качество. С введением понятия критической температуры стали очевидными ошибочность представления о «постоянных газах» и причина неудач с их переводом в жидкое состояние: попытки перевода в жидкое состояние предпринимались при температуре, большей критической, и потому были обречены на неудачу.

Но уже в конце прошлого века швейцарский физик Пикте получил жидкие кислород и азот путем их сжатия, предварительно охладив газы до температуры, меньшей критической, посредством жидкой углекислоты, испаряющейся под пониженным давлением (и потому интенсивно охлаждающейся). В 1884 г. польские физики Вроблевский и Ольшевский получили жидкий водород, используя в качестве предварительного охладителя кипящий жидкий кислород. Наконец, в 1908 г. голландским физиком Камерлинг-Оннесом был получен жидкий гелий.

В настоящее время все известные газы удалось перевести не только в жидкое, но и в твердое состояние (твердый гелий был получен в 1926 г.).

В технике для сжижения газов широко применяется машина Линде, основанная на так называемом положительном эффекте Джоуля — Томсона. Английские физики Джоуль и Тожон экспериментально обнаружили, что при расширении реального газа в пустоту (т. е. без совершения внешней работы) его температура изменяется (эффект Джоуля — Томсона). При этом может быть два случая:

1) при низкой начальной температуре все газы, расширяясь, охлаждаются (положительный эффект Джоуля — Томсона);

2) при высокой начальной температуре все газы, расширяясь, нагреваются (отрицательный эффект Джоуля — Томсона).

Не приводя строгого теоретического доказательства эффекта Джоуля-Томсона, ограничимся некоторым качественным его обоснованием, исходя из характера зависимости результирующей силы взаимодействия молекул от расстояния между ними (см. рис. 67, § 35). Внутренняя энергия реального газа слагается из кинетической и потенциальной энергий его молекул. Если газ расширяется без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой, то его внутренняя энергия, согласно закону сохранения энергии, остается неизменной:

1. При низкой начальной температуре среднее расстояние между молекулами газа значительно меньше расстояния соответствующего максимуму силы притяжения между ними. Поэтому расширение газа, т. е. увеличение расстояния между его молекулами, сопровождается увеличением силы притяжения между ними и, следовательно, увеличением потенциальной энергии (по абсолютной величине). Тогда, согласно формуле (6), кинетическая энергия должна уменьшаться. Но кинетичесая энергия пропорциональна абсолютной температуре Следовательно, уменьшение будет сопровождаться уменьшением Итак, расширение газа сопровождается его охлаждением.

2. При высокой начальной температуре Поэтому расширение газа сопровождайся уменьшением силы притяжения между его молекулами и, следовательно, уменьшением потенциальной энергии (по абсолютной величине). При этом, согласно формуле (6), возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и температура газа. В этом случае расширение газа сопровождается его нагреванием.

Рис. 128

Совершенно очевидно, что для каждого газа должно существовать такое промежуточное значение температуры, при котором газ, расширяясь, не будет ни охлаждаться, ни нагреваться. Эта температура называется температурой инверсии Для подавляющего большинства газов температура инверсии выше нормальной температуры. Поэтому расширяясь при нормальной температуре, газы охлаждаются. Исключение составляют водород и гелий которые нагреваются, расширяясь при нормальной температуре.

Схема машины Линде представлена на рис. 128. Газ, например воздух, сжимается в компрессоре К до давления порядка Па и охлаждается в холодильнике X проточной водой (это необходимо в связи с тем, что благодаря положительному эффекту Джоуля — Томсона при сжатии газ нагревается). Затем сжатый воздух проходит по внутренней трубке 1 змеевика 3 и расширяется на ее конце В в конденсаторе С до давления в 105 Па. При этом он охлаждается примерно на 20 К. Расширившийся воздух вновь засасывается в компрессор по внешней трубке 2 змеевика, охлаждая вторую порцию сжатого воздуха, текущего по трубке 1. Таким образом, вторая порция газа предварительно охлаждается уже в змеевике на 20 К и затем при расширении в конденсаторе еще на 20 К.

Описанный процесс повторяется многократно. Каждая последующая порция расширяющегося воздуха будет, очевидно, охлаждаться сильнее предыдущей на 20 К. В результате воздух охладится до температуры, меньшей критической.

При дальнейшей работе машины часть расширяющегося воздуха будет переводиться в жидкость и стекать на дно конденсатора. Через кран а жидкий воздух сливается в дьюаровские сосуды для хранения.

Машиной Линде можно переводить в жидкость все газы, у которых температура инверсии выше нормальной (точнее, комнатной). Водород и гелий следует предварительно охлаждать до температуры первый — жидким кислородом, второй — жидким водородом.

Более эффективными установками для сжижения газа являются детандеры — поршневые машины, в которых газ охлаждается не только за счет расширения, но и за счет совершения внешней работы по передвижению поршня. На этом же принцине работает сконструированный Копицей турбодетандер, в котором газ, сжатый всего лишь до Па, охлаждается, совершая работу по вращению турбины.

Жидкий воздух имеет широкое практическое применение. В технике из него получают чистый кислород. Дело в том, что азот, имеющий более низкую критическую температуру, чем кислород (см. таблицу в § 64), улетучивается из жидкого воздуха раньше кислорода. Поэтому через несколько дней в дьюаровском сосуде с жидким воздухом остается один кислород. Путем фракционного испарения жидкого воздуха получают также инертные газы, входящие в его состав: гелий, неон аргон, криптон, ксенон и радон.

Занимая сравнительно малый объем, жидкий воздух удобен для зарядки дыхательной аппаратуры, используемой при высотных и космических полетах; кроме того, жидкий воздух применяется в реактивных двигателях в качестве компонента топливной смеси.

Как источник низкой температуры жидкий воздух используется при производстве вакуумной аппаратуры и при изучении свойств тел при низких температурах.

В смеси с органическим горючим материалом (нефтью, керосином, толченым углем и т. д.) жидкий воздух образует взрывчатое вещество — так называемый оксиликвит, по силе взрыва не уступающий динамиту и применяемый при подрывных работах (в горномделе, в дорожном строительстве и т. п.).

Интересно отметить, что простейшие организмы, замороженные жидким воздухом, не утрачивают своей жизнеспособности.