Отримання і використання зріджених газів

Зміст

Введення

1. Природа явища і властивостізріджених газів

2. Способи отримання зріджених газів

3. Використання зріджених газів

Висновки

Список використаної літератури

Введення

Будь газ можна перетворитив рідину простим стискуванням, якщо температура газу нижче критичної. Томуподіл речовин на гази і рідини в значній мірі умовно. Ті речовини,які ми звикли вважати газами, просто мають дуже низькі критичнітемператури, тобто температури, після досягнення яких, газ набуваєвластивості рідини, і тому при температурі, близькій до кімнатної, не можутьзнаходитися в рідкому стані. Навпаки, в речовин, що зараховуються нами дорідинам, критичні температури великі.

Перший газ (аміак) бувзвернений в рідину вже в 1799 р. Подальші успіхи в зріджуванні газів пов'язані зім'ям англійського фізика М. Фарадея (1791 - 1867), який зріджується гази шляхомїх одночасного охолодження і стиснення. До другої половини 19 століття з усіхвідомих в той час газів залишилися не зрідженими тільки шість: водень,кисень, азот, оксид азоту, оксид вуглецю і метан, - їх назвали постійнимигазами. Затримка в зріджуванні цих газів ще на чверть століття відбуласятому, що техніка пониження температури була розвинена слабо, і вони не моглибути охолоджені до температури нижче критичної. Коли фізики навчилися отримуватитемператури порядка 1 К, вдалося все гази звернути не тільки на рідке, але і втвердий стан. [1]

Метою даної роботиє розгляд природи явища і властивостей зріджених газів, а такожвивчення способів отримання і використання таких газів. Тема роботи актуальнана сьогоднішній день, так як зріджені гази затребувані в багатьох областяхмедицини, науки і техніки.

1. Природаявища та властивості зріджених газів

Безперервні хаотичнітеплові руху, в яких завжди беруть участь частки будь-якої речовини іінтенсивність (енергія) яких визначає його температуру, надаютьістотний вплив на всі відбуваються в речовині явища. Саме томумайже всяке властивість речовини, так чи інакше, залежить від температури, тобтовід інтенсивності теплових рухів частинок в ньому.

Вивчення властивостей речовинипри дуже низьких температурах, коли молекулярні рухи ослаблені,представляє великий інтерес. Тільки при низьких температурах можна досліджуватиті чи інші явища в умовах, коли постійне тло теплових рухів невпливає на них.

При низькотемпературнихдослідженнях досліджуване тіло приводять у контакт з тілом досить низькоютемператури, з так званим холодоагентом. Завданням техніки низьких температур іє створення таких холодоагентів. Ними зазвичай є різні зрідженігази, що знаходяться в стані кипіння. Вони особливо зручні тим, що контакт зохолоджуваним тілом не змінює їх температуру, а призводить лише до більшінтенсивному випаровуванню. Саме зрідження газів відкрило для дослідження областьнизьких температур, в тому числі і найнижчих - близьких до абсолютного нуля.

Всякий газ може бутиперетворений у рідкий стан, але необхідною умовою для цього єпопереднє охолодження газу до температури нижче критичної. Вуглекислийгаз, наприклад, можна зрідже при кімнатній температурі, оскільки йогокритична температура дорівнює 31,1 єС. Те ж, можна сказати і про таких газах, якаміак і хлор.

Але є й такі гази,які при кімнатній температурі не можна перевести в рідкий стан. До такихгазів відносяться повітря (а також його складові частини - азот, кисень та аргон),водень і гелій, у яких критичні температури значно нижче кімнатної.Для зріджування таких газів їх необхідно попередньо охолодити до температуритрохи нижче критичної, після чого підвищенням тиску газ може бутиперетворений у рідкий стан. Зріджені таким чином гази зручніше зберігати підатмосферному тиску (у відкритій посудині), але в цьому випадку їх температураповинна бути ще нижчою - такою, при якій тиск буде дорівнювати 1 атм.Для азоту температура зберігання відповідає 77,4 К, в той час як критичнатемпература азоту дорівнює 126,1 К. Для кисню ці цифри відповідно рівні90 К і 154,4 К, для водню 20,5 К і 33 До і для гелію 4,4 К і 5,3 К. Цічотири газу широко використовуються практично, в тому числі і як холодоагенти.

З наведених цифр, яккритичних температур, так і тих кінцевих температур, до яких мають бутиохолоджені зріджується гази, видно, що охолодження потрібно дуже значне.Для досягнення такого сильного охолодження зазвичай використовуються два методи (поокремо і комбіновано), які будуть розглянуті далі. [2]

2. Способиотримання зріджених газів

Перший метод зрідженнягазу пов'язаний з використанням ефекту Джоуля - Томсона. Видозміна досвіду порозширенню газу, запропоноване Джоулем і Томсоном, дозволяє досягти помітногозміни температури газу, зокрема охолодження, обумовленого йогонеідеальної, так як розширення ідеального газу в порожнечу не супроводжуєтьсязміною його температури. Газ при достатньо великому, але постійному тискузмушують протікати через теплоізольованою пористу перегородку. Це означає,що протікання газу відбувається адіабатно. Гідродинамічний опірперегородки призводить до того, що на ній втрачається частина тиску газу і газвиходить з перегородки при більш низькому тиску. Газ розширюється абодросселируется. Дроселем називається будь-який пристрій, що представляєопір для протікання газу. Для того, щоб протягом газу булостаціонарним, тобто відбувалося при постійних значеннях тисків по обохбоку дроселя, необхідний який-небудь насос (компресор), який підтримувавб постійними ці тиску. Цей компресор виробляє зовнішню роботу стисненнягазу. Цим процес дроселювання відрізняється від розширення газу в порожнечу, приякому зовнішня робота дорівнює нулю. Явище зміни температури газу при його адіабатнірозширенні дроселюванням від одного постійного тиску до іншого називаєтьсяефектом Джоуля - Томсона. Зміна температури неідеального газу в процесіДжоуля - Томсона пояснюється тим, що при розширенні газу збільшуєтьсявідстань між молекулами і, отже, відбувається внутрішня роботапроти сил взаємодії між молекулами. За рахунок цієї роботи змінюєтьсякінетична енергія молекул, а, отже, і температура газу. В ідеальномугазі, де сили взаємодії молекул дорівнюють нулю, ефекту Джоуля - Томсона немає.

В історично першоюмашині для зрідження газів (повітря) в технічних масштабах (Лінде і Гемпсон, 1895 р.) для охолодження газів нижче критичної температури і подальшого зрідження використовувавсяметод дроселювання. Наведемо схему машини Лінде (рис.1), в якій крімефекту Джоуля - Томсона був застосований важливий конструктивний принциппротивоточного теплообміну і тепер застосовуваний у всіх ожіжітельних машинах.

Повітря надходить у компресорK, в якому він стискається до 200 атм.Після цього він проходить через змійовик, охолоджуваний проточною водою, де вінвіддає тепло, що виділилася при стисненні. Таким чином, в подальший шлях доскраплення йде стиснений газ з температурою такий же, як і до стиснення. Цей газпроходить потім через змійовик ab до дросельного вентиля (крана) V1 і розширюється через нього в приймачf до тиску в 1 атм. При цьому розширенні газ кілька охолоджується, але ненастільки, щоб перетворитися в рідину. Охолоджений, але не зріджується газповертається потім назад через змійовик cd. Обидва змійовика, ab і cd, розташовані один щодо одного так, що між ними, атакож між порціями газу, що проходять по них, існує тепловий контакт.Завдяки цьому випробував розширення та охолодження газ прохолоджує що йде йомуназустріч порцію стисненого газу, якій ще належить розширитися через вентильV1. У цьому і полягає метод противоточного обміну теплом.

Рис.1. Схема машини Лінде

Ясно, що друга порціягазу підійде до розширювального вентиля V1, маючи більш низьку температуру, ніжперша, а після дроселювання вона ще більше знизитися. Таким чином, довентилю буде підходити все біл...ьш холодний газ. Через деякий час післяпочатку роботи машини поступове охолодження газу холодними зустрічними потокамипризведе до того, що газ при черговому дроселюванні почне частковозріджуватиметься і накопичуватися в приймачі f, звідки він може бути злитий через кранV2 в посудину для зберігання зріджених газів (посудина Дьюара).

При сталимпроцесі роботи машини в різних її місцях спостерігаються приблизно такітемператури: біля входу в змійовик ab температура 293 К (кімнатна); на виході зцього змійовика 170 К; після дроселювання 80 К, біля входу в змійовик cd 80 К; навиході з нього - кімнатна температура. Тиск перед вентилем 200 атм, післядроселювання 1 атм.

Пристрій, що включаєобидва змійовика ab і cd, у якому відбувається охолодження газу зустрічним потокомохолодженого газу, називається теплообмінником. У машині Лінде теплообмінникздійснюється у вигляді вставлених одна в іншу трубок, яким разомнадавалася форма змійовика. Газ високого тиску надходить по внутрішній трубці.Зустрічний потік охолодженого газу низького тиску проходить по зовнішній трубці,омиваючи внутрішню і охолоджуючи, таким чином, газ у ній.

Другий метод зрідженнягазів називається методом Клода, він заснований на методі адиабатного розширення вдетандерах. Розглянемо його принципова відмінність від методу Лінде.

При дроселюванні газуохолодження досягається за рахунок внутрішньої роботи, що здійснюється газом проти силпритягання між молекулами. Як відомо, охолодження газу відбувається і в томувипадку, коли він адіабатно розширюється, здійснюючи зовнішню роботу. Газ,розширюючись і здійснюючи при цьому роботу, зменшує свою внутрішню енергію, азначить, і температуру. Це в рівній мірі відноситься і до ідеального, і дореальному газам. Причиною охолодження газу при вчиненні нею зовнішньої роботиє зменшення швидкостей молекул при їх ударах об віддаляється від нихпоршень, якому вони передають частину своєї кінетичної енергії. Охолодження приадіабатні розширенні із вчиненням зовнішньої роботи має бути більшеефективним, ніж при дроселюванні, так як адіабатне розширення - процесоборотний, в той час як ефект Джоуля - Томсона - процес незворотний. А, яквідомо, оборотність процесів в машині забезпечує великий коефіцієнткорисної дії. Частина, в якій відбувається розширення газу, називаєтьсядетандером.

Вперше така машина длязріджування газів (рис.2) була побудована Клодом в 1902 році для скраплення повітря.

зріджений газметод Лінде

Рис.2. Схема машини Клода

Розглянемо принципдії цієї машини. Газ піддається ізотермічному стисненню в компресорі K,звідки він надходить у теплообмінник E1. Тут він розділяється на два потоки (вточці O). Перший йде через теплообмінник E2 до дросельного вентиля іпіддається дроселювання з охолодженням за рахунок ефекту Джоуля - Томсона;другий потік (на його частку припадає 80% газу) надходить у детандер,розширюється в ньому, здійснюючи роботу, і за цей рахунок охолоджується. З детандераохолоджений газ повертається в теплообмінник E1, охолоджуючи зустрічну чергову порцію стисненого газу. До нього вточці Oґ приєднується і той газ, який охолодився в результатідроселювання. До цього він, проходячи через теплообмінник E2, теж охолоджувавзустрічний газовий потік. Таким чином, з опису методу Клода видно, щоохолодження в детандере використовується для попереднього охолодження переддроселюванням.

У першій машині Клодадетандер являв собою поршневу машину. Роботу, яку в ній скоюєстиснений газ, можна використовувати для полегшення роботи компресора, дляпримусової мастила машини і т. д.

Умови, характерні длямашини Клода (ожіжающей повітря), приблизно такі: тиск на виході зкомпресора 40 атм, температура на вході в детандер (після охолодження в теплообмінникуE1) 200 К; температура після розширення в детандере 110 С при тиску в 1 атм.

У порівнянні з методомадіабатичного охолодження метод, заснований на ефекті Джоуля - Томсона,володіє більшою простотою. У ньому не виникає проблеми змащення, оскількивикористовувана апаратура не містить ніяких рухомих частин, що працюють принизьких температурах. Однак за цю простоту доводитися платити величезноювтратою ефективності охолодження і необхідністю працювати при високихтисках з використанням великих кількостей газу. Охолодження, яке можнаотримати адіабатичним розширенням, зазвичай багато більше того, що дає ефектДжоуля - Томсона. Але при цьому зустрічаються істотні труднощі, пов'язані зімастилом рухомих вузлів: при низьких температурах масло замерзає. Наприклад,Клод застосовував прокладки з сухої знежиреної шкіри. Роль мастила грав самповітря, що просочується в невеликій кількості між ущільненням поршня істінками циліндра [3].

3. Використаннязріджених газів

Зріджування газів має технічнеі наукове значення. Зріджування повітря використовується в техніці для розділенняповітря на складові частини. Метод заснований на тому, що різні гази, зяких складається повітря, киплять при різних температурах. Найбільш низькітемператури кипіння мають гелій, неон, азот, аргон. У кисню температуракипіння трохи вище, ніж у аргону. Тому спочатку випаровується гелій, неон,азот, а потім аргон, кисень.

Скраплені гази знаходятьшироке застосування в техніці. Азот йде для одержання аміаку та азотних солей,уживаних у сільському господарстві для добрива грунту. Аргон, неон та іншіінертні гази використовуються для наповнення електричних ламп розжарювання, атакож газосвітних ламп. Найбільше застосування має кисень. У суміші зацетиленом або воднем він дає полум'я дуже високої температури, вживанедля різання і зварювання металів. Вдування кисню (кисневе дуття) прискорюєметалургійні процеси. Доставляється з аптек в подушках кисень дієяк знеболююче. Особливо важливим є застосування рідкого кисню вЯк окислювач для двигунів космічних ракет.

Рідкий воденьвикористовується як паливо в космічних ракетах. Наприклад, для заправкиамериканської ракети В«Сатурн - 5В» потрібно 90т рідкого водню.

Рідкий аміак знайшов широкезастосування в холодильниках - величезних складах, де зберігаються швидкопсувніпродукти. Охолодження, що виникає при випаровуванні зріджених газів, використовують врефрижераторах при перевезенні швидкопсувних продуктів.

Гази, що застосовуються впромисловості, медицині і т. п., легше перевозити, коли вони знаходяться вскрапленому стані, так як при цьому в тому ж обсязі полягає більшукількість речовини.

Висновки

У виконану роботу ярозглянула природу явища і властивості зріджених газів, а також 2 основнихметоду, за допомогою яких зріджують гази. Порівнявши обидва методи, я з'ясувала, щонайбільш простий і безпечний метод Лінде, але метод Клода є ефективнішим,тобто має високий коефіцієнт корисної дії, хоч і виникає проблемаз мастилом рухомих вузлів. Далі були розглянуті області застосуваннязріджених газів. Зріджені гази застосовуються не тільки в техніці, медицині ісільському господарстві, але і в науці. За допомогою зріджених газів досліджуютьсявластивості інших речовин при температурі близькій до абсолютного нуля, колируху молекул в речовині мінімальні.

Список використовуваноїлітератури

1. Мякишев Г.Я., Синців О.З. Фізика.Молекулярна фізика. Термодинаміка. 10 кл. М.: Дрофа 2007. 349с.

2. Кікоїн А.К., Кікоїн І.К.Молекулярна фізика. М.: Наука 1976. 480 з.

3. Сивухин Д.І. Загальний курс фізики.Термодинаміка і молекулярна фізика. М.: Наука 1979. 552 з.