§ 8.9. Сжижение газов и использование жидких газов в технике.
Когда было установлено, что газ можно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической, то, применяя все более низкие температуры, постепенно получили все газы в жидком состоянии.
Рис. 8.10.
Последним в 1908 г. был получен жидкий гелий.
В машинах для сжижения газов используется охлаждение газа в процессе его адиабатического расширения (§ 6.12). Предварительно газ сильно сжимается компрессором. Выделяющееся при этом тепло отводится водяным охлаждением. Когда затем газ в процессе адиабатического расширения сам выполняет работу (за счет своей внутренней энергии), его температура сильно понижается. Та часть машины, в которой газ расширяется, выполняя внешнюю работу (например, перемещая поршень), называется детандером.
Большой вклад в разработку методов сжижения газов внес советский физик П. Л. Капица. В одной из его мшин с турбодетандером струя сжатого газа направляется на лопасти турбины; приводя ее во вращение, газ совершает работу и охлаждается.
Таблица 8.4. Точка кипения некоторых сжиженных газов
Заметим, что, в отличие от идеального газа, при расширении сильно сжатого реального газа его температура понижается, если даже он и не совершает внешней работы, а просто вытекает через узкое сопло. Объясняется это следующим. У сильно сжатого газа
множество молекул находится в пределах сфер взаимодействия с другими молекулами. При расширении газа расстояния между молекулами увеличиваются, и при этом совершается «внутренняя» работа против сил взаимодействия между молекулами за счет их кинетической энергии. В результате этого и падает температура. Этот метод охлаждения также используется при сжижении газов.
Когда температура газа падает ниже критической, он переходит в жидкое состояние. Сжиженный газ сливают и хранят в специальных сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми имеется высокий вакуум для уменьшения теплопроводности (рис. 8.11). Чтобы уменьшить нагревание жидкости лучеиспусканием, стенки сосуда Дьюара покрывают ртутной амальгамой (как у зеркал). (Подумайте, почему сосуд о сжиженным газом нельзя плотно закрывать).
Рис. 8.11.
Сжижение воздуха широко используется для разделения составляющих его газов. При кипении жидкого воздуха в первую очередь из него улетучиваются газы с более низкой температурой кипения (табл. 8.4). Азот выкипает раньше кислорода, поэтому через некоторое время в сосуде Дьюара остается почти чистый жидкий кислород. Его используют в металлургии, для взрывных работ, для сжигания топлива в ракетах и т. д.
В воздухе имеется небольшое количество аргона, гелия и других инертных газов. Поскольку температуры их кипения различны, то с помощью специального аппарата — ректификационной колонки — их можно раздельно выделить из жидкого, воздуха.
Жидкие газы широко используются в промышленности и при научных исследованиях для глубокого охлаждения различных веществ. Многие свойства вещества при низких температурах сильно изменяются, например, свинец становится упругим, а резина — хрупкой. Для получения очень низких температур применяют жидкий водород или гелий, кипящий при пониженном давлении. В последнем случае можно поддерживать температуру около 1 К. Изучение свойств вещества при сверхнизких температурах привело к открытию сверхпроводимости (§ 16.9).
