МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ
«Сжижение газов»
Выполнила студентка
физико-математического
факультета
4 курса группы 4-м-2
Афанасьева Анастасия.
Проверила: Волина Е.П.
Орехово-Зуево
2009
Содержание
· Введение……………………………………………………………………..3
· Низкие температуры………………………………………………………..4
· §1. Сжижение газов…………………………………………………………5
· §2. Эффект Джоуля – Томсона…………………………………………….6
· §3. Адиабатное расширение газа с совершением внешней работы……11
· §4. Сжижение газов с использованием эффекта Джоуля – Томсона (метод Линде)………………………………………………………………………..14
· §5. Сжижение газов методом адиабатного расширения в детандерах (метод Клода)………………………………………………………………………..17
· §6. Некоторые свойства сжиженных газов……………………………….19
· §7. Сверхнизкие температуры…………………………………………….20
· §8. Свойства вещества при низких температурах……………………….22
· §9. Жидкий гелий…………………………………………………………...24
· Заключение………………………………………………………………….33
· Список литературы…………………………………………………………34
Введение.
Проблемой изучения свойств веществ при низких температурах занимались многие ученые. Для этого требовались сжиженные газы. Определенных успехов в сжижении газов добился М. Фарадей. Он получил в жидком состоянии все известные газы кроме азота, кислорода, водорода, метана, оксида азота и оксида углерода. До обнаружения критической температуры пытались сжижать и эти газы, главным образом увеличивая давление. Однако после установления критической температуры для каждого вещества стало ясно, что получение жидкого азота, кислорода и т. д. требует охлаждения любого газа ниже его критической температуры, то есть более глубокого охлаждения, чем применявшегося ранее.
Большой вклад в проблему сжижения газов внес Петр Леонидович Капица. В 1934 году он создал необычайно производительную установку для сжижения гелия, который кипит или сжижается при температуре около 4,3 К. В 1938 г. он усовершенствовал небольшую турбину, очень эффективно сжижавшую воздух. Капице удалось обнаружить необычайное уменьшение вязкости гелия при охлаждении температуры ниже 2,17 К, при которой он переходит в форму, называемую гелием-2. Утрата вязкости позволяет ему беспрепятственно вытекать через мельчайшие отверстия и даже взбираться по стенкам контейнера, как бы не чувствуя силы тяжести. Отсутствие вязкости сопровождается также увеличением теплопроводности. Капица назвал открытое им явление сверхтекучестью.
Построенные Капицей уже после войны установки для сжижения газов нашли широкое применение в промышленности. Использование кислорода, извлеченного из жидкого воздуха, для кислородного дутья произвело подлинный переворот в советской сталелитейной промышленности.
Низкие (криогенные) температуры находят все большее применение в биологии и медицине. Так, температуры жидкого азота используют для длительного хранения крови, плазмы, спинного мозга, тканей и отдельных органов человека. С успехом используется криохирургический инструмент, дающий возможность местно замораживать удаляемые участки больных органов. Возникла новая отрасль науки - криобиология, изучающая процессы в клетках и тканях при их глубоком охлаждении.
Низкие температуры.
Непрерывные хаотические тепловые движения, в которых всегда участвуют частицы любого вещества и интенсивность (энергия) которых определяет его температуру, оказывают существенное внимание на все происходящие в веществе явления. Они являются как бы фоном, на котором разыгрываются любые процессы внутри вещества. Именно поэтому почти всякое свойство вещества так или иначе зависит от температуры, т.е. от интенсивности тепловых движений частиц в нем.
Естественно, что изучение свойств вещества при очень низких температурах, когда молекулярные движения в большей или меньшей степени ослаблены, представляют большой интерес. Только при низких температурах можно исследовать те или иные явления в условиях, когда постоянный фон тепловых движений не влияет на них.
При низкотемпературных исследованиях изучаемое тело приводят в контакт с телом достаточно низкой температуры, с так называемым хладогентов. Задачей техники низких температур и является создание таких хладогентов. Ими обычно являются различные сжиженные газы, находящиеся в состоянии кипения. Они особенно удобны тем, что контакт с охлажденным телом не изменяет их температуру, а приводит лишь к более интенсивному испарению. Именно сжижение газов открыло для исследования область низких температур, в том числе и самых низких – близких к абсолютному нулю.
§1. Сжижение газов.
Уравнение состояния идеальных газов Ван-дер-Ваальса показывает, что всякий газ может быть переведен в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. Углекислый газ, например, можно сжижить при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1°C. То же можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор.
Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние, какие бы не применять давления и до каких бы плотностей их ни доводить. К таким газам относятся, например, воздух (а так же его составные части – азот, кислород и аргон), водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. До открытия критической температуры (Каньяр-де-ла-Тур, 1822 г.) их даже считали постоянными газами, т.е. газами, вообще не способными сжижаться.
Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить, по крайней мере до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведен в жидкое состояние. Сжиженные таким образом газы удобнее хранить под атмосферным давлением (в открытом сосуде), но в этом случае их температура должна быть еще более низкой – такой, при которой давление, соответствующее горизонтальному участку изотермы реального газа, равна 1 атм. Для азота такая изотерма соответствует температуре 77,4 К, в то время как критическая температура азота равна 126,1 К. для кислорода эти цифры соответственно равны 90 К и 154,4 К, для водорода 20,5 К и 33 К и, наконец, для гелия 4,4 К и 5,3 К. мы упомянули эти четыре газа потому, что именно они широко используются практически: и как средства получения низких температур (хладоагенты), и для других целей.
Из приведенных цифр как критических температур, так и тех конечных температур, до которых должны быть охлаждены сжижаемые газы, визно ,что охлаждение требуется весьма значительное, какое нигде в природе (в земных условиях) не встречается. Для достижения столь сильного охлаждения обычно используются два метода (по отдельности и комбинированно), которые мы здесь и рассмотрим.
Первый из них связан с использованием, так называемого эффекта Джоуля – Томсона.
§2. Эффект Джоуля – Томсона.
Расширение идеального газа в пустоту не сопровождается изменением его температуры.
Небольшое изменение температуры, наблюдаемое при точных измерениях, объясняется неидеальностью газа. Следующее видоизменение опыта по расширению газа, предложенное Джоулем и Томсоном, позволяет достичь заметного изменения температуры газа, в частности охлаждения, обусловленного его неидеальностью.
Газ при достаточно большом, но постоянном давлении вынуждают протекать через теплоизолированную пористую перегородку. Это значит, что протекание газа происходит адиабатно.
Гидродинамическое сопротивление перегородки приводит к тому, что на ней теряется часть давления газа и газ выходит из перегородки при более низком давлении. Газ, следовательно, расширяется или, как говорят в технике, дросселируется. Дросселем называется любое устройство, представляющее сопротивление для протекания газа. В технических установках для охлаждения газов вместо пористой перегородки часто используется достаточно узкие сопла.
Для того, чтобы давление газа было стационарным, т.е. происходило при постоянных значениях давлений по обе стороны дросселя, необходим какой – либо насос (компрессор), который поддерживал бы постоянными эти давления. Этот компрессор производит внешнюю работу сжатия газа, которая расходуется на преодоление сопротивления дросселя. Этим процесс дросселирования отличается от расширения газа в пустоту, при котором внешняя работа равна нулю.
Мы покажем, что для неидеального газа процесс Джоуля – Томсона, т.е. процесс дросселирования, вообще говоря, должен сопровождаться изменением его температуры. Такое же расширение идеального газа не вызывает никакого изменения температуры.
Явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении дросселированием от одного постоянного давления к другому называется эффектом Джоуля – Томсона.
Изменение температуры неидеального газа в процессе Джоуля – Томсона объясняется тем, что при расширении газа увеличивается расстояние между молекулами и, следовательно, совершается внутренняя работа против взаимодействия между молекулами. За счет этой работы изменяется кинетическая энергия молекул, а следовательно, и температура газа. В идеальном газе, где силы взаимодействия молекул равны нулю, эффекта Джоуля – Томсона нет.
Количественно эффект Джоуля – Томсона характеризуется дифференциальным коэффициентом Джоуля – Томсона µ, который определяется отношением изменения температуры газа ΔТ к вызвавшему его изменение давления Δр: