belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Каньяр де Латур фактически открыл критическую точку, хотя потребовалось еще четыре десятка лет прежде чем., опираясь на идеи Фарадея., А.В. Ренье (1845), Д.И. Менделеева (1860), на собственные результаты, окончательную ясность в этот вопрос внес Т. Эндрюс (1869). 262 ГЛ. 3. ПРИЛОЖЕНИЯ ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ Фарадей, комбинируя сжатие и охлаждение, получил в жидком виде полтора десятка газов; кроме аммиака, серного ашидрида, хлора также углекислый газ СО2, сероводород Н28 и т. д.
Однако, ни Фарадею, ни Нетереру, который в своих опытах (1844- 1855) довел давление до 2750 атм, не удалось сжижить водород, кислород, азот. Такие газы даже стали называть «перманентными» или «абсолютными», подчеркивая тем самым, что их, возможно, вообще нельзя сжижить. После работ Эндрюса и Ван-дер-Вавльса (1873) стало понятно, что температуры, получаемые с помощью соляных смесей, для «абсолютных» газов выше критических, и надо искать способы более глубокого охлаждения.
Одним из таких способов является охлаждение при адиабатическом расширении. В 1877 г. Л. Кальете и независимо от него Р. Пикте сжижили кислород. Находящийся под давлением 200 атм газ охлаждался соляной смесью до температуры — 29'С (244 К). После этого давление быстро сбрасывалось до атмосферного. Простой расчет по уравнению адиабаты идеального газа дает конечную температуру — 220'С (53 К): в эксперименте получалось около — 200'С. При этой температуре (что выяснилось гораздо позже) давление насыщенного пара кислорода составляет около 10 Па, т. е. 0,1 атм, и кислород конденсируется. Таким прямым методом Кальете получил капельки «кислородного тумана». Пикте использовал каскадный метод, когда одна порция газа, охлажденная методом адиабатического расширения, используется для предварительного охлаждения следующих порций.
Ему удалось получить заметные порции сжижснных газов воздуха., кислорода, азота. Наконец, установку для непрерывного получения сжиженных газов создал К. Линде (1896). Еще в 1871 г. Линде предложил использовать для сжижения газов эффект Джоуля — Томсона; изобретение им езцс и противоточного теплообмепника позволило получать сжижеппые газы в промышленных количествах. 1 Схематически машина Линде изображена на рис. 3.14. Газ подается в компрессор К. После сжатия в компрессоре газ нагревается, поэтому оп охлажда- 2 ется проточной водой. Затем газ проходит теплообменник 1 — 2, в котором осуществляется контакт с уже охлажденным газом.
В реальных устройствах этот теплообмепник выполняется в виде двух змеевиков, один внутри другого. После этого теплообменника достигается настолько низкая температура, что при дросселировапии дроссель Др охлаждение достаточно для сжижения знаКр чительной доли газа. Жидкость по мере накопления сливается через кран Кр, а оставшийся не сжиженРис.
3.14 ным газ идет в противоточный теплообменник 1-2 и после него вновь поступает в компрессор. Линде удавалось получать на своей машине несколько литров жидкого воздуха в час. Дж. Дьюар (1898) на машине подобного типа получил жидкий водород. Сжижение водорода осложняется низкой температурой инверсии эффекта Джоуля — Томсона 205 К. Выше этой температуры водород при дросселировании нагревается, поэтому, лишь охладив его до температуры заметно ниже З.В. НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 263 — 68'С, можно использовать схему Линде. Дьюар добился этого, применяя в парном теплообменникс жидкий воздух, т. е.
с использованием двух каскадов сжижения. Наконец, используя уже жидкий водород., Х. Камерлинг-Онпес получил жидкий гелий (1908), наиболее трудно сжижаемый газ критическая температура у него всего 5,25 К ( — 267,9'С), а температура инверсии (в зависимости от начального давления) лежит в пределах от 33 до 50 К (от — 240 до — 223'С).
В предыдущей главе мы видели, что газ должен больше, чем при дросселировании, охлаждаться при адиабатическом расширении. Этот эффект использовали еще Кальете и Пикте, но они получали лишь ничтожно малые порции сжиженных газов. Запатентованный В. Сименсом еще в 1859 г.
метод использования адиабатного охлаждения газов удалось практически осуществить Клоду (1902). Основное отличие принципиальной схемы машины Клода от машины Линде состоит в том, что вместо дросселя газ после теплообменника поступает в специальный сосуд детандер, где совершает работу по перемещению поршня. При этом возникает трудноразрешимая проблема смазки движущихся частей установки, находящихся при предельно низких температурах.
В качестве выхода Релей (1898) предложил вместо перемещения поршня заставить газ вращать турбину — тогда удавалось вьшести трущисся детали в область относительно высоких температур. Машина с адиабатным расширением использовалась также в качестве первого каскада охлаждения в комбинированной схеме с использованием на последнем этапе эффекта Джоуля — Томсона. Именно такую схему применял сам Клод. Большой вклад в решение проблемы внес П.Л. Капица. Вначале оп усовершенствовал поршневой детандер (1929).
Проблема трения была решена остроумным способом: между порпщем и цилиндром детандера создавался контролируемый зазор (около 0,05 мм), и просачивающийся через зазор газ служил «смазкой». Это позволило применять детандер для производства жидкого гелия. Затем, подробно проанализировав работу турбодетандера, он усовершенствовал его (1940) и создал промышленные турбодетандерные ожижители воздуха с рекордной производительностью — до 2000 литров в час. В 60-е годы, когда возникла потребность в значительных количествах жидкого гелия, Капица разработал каскадные ожижители высокой производительности. При нормальном давлении температура кипения гелия равна 4,2 К.
Если понижать давление, откачивая испаряющийся гелий, можно достичь температуры около 1 К. Использование изотопа Нез позволяет дойти примерно до 0,3 К. Дальнейшее продвижение к абсолютному нулю температур возможно с помощью адиабагического размагничивания парамагнетиков, которое становится эффективным, как уже упоминалось, при исходной температуре около 1 К. Таким способом достигаются температуры 5 10' з К. Размагничивание системы ядерных магнитных моментов позволяет достигнуть предельно низких температур до 10 ~ К.
Однако такую темпе ратуру имеет после размагничивания именно система ядерных моментов, в то время как кристаллическая решетка остается при начальной температуре. Она обычно составляет около 0,01 К,т.к.именно с этого значения 264 Гл. 3. пРилОжения 3АкОнОВ термОдинлмики температуры становится эффективным ядерное размагничивание. После установления равновесия температура вещества оказывается равной примерно 10 4 К, и эту температуру следует считать предельно низкой из достигнутых для равновесного состояния вещества. Сжиженные газы и получаемые с их помощью низкие температуры находят весьма разнообразное применение.
В технике сжижение газовых смесей производится с целью облегчения их разделения на компоненты. Выше уже упоминалось о том, что воздух сжижается с целью выделения кислорода для сталолитейной промышленности. Достаточно сказать, что годовое производство жидкого кислорода в мире достигает 150 млп. топи. Многие газы выгодно хранить в сжиженном состоянии ввиду большой плотности уменьшается объем необходимых емкостей, а содержание при низкой температуры зачастую дептевле и безопаснее, чем при высоком давлении. Жидкий азот, остающийся после выделения из воздуха кислорода, находит особенно широкое применение. Оп используотся в медицине для лечения некоторых болезней, для консервации тканей.
В вакуумной технике часть системы помещается в сосуд с жидким азотом, и многие остаточные газы конденсируются в такой «ловушке». С охлаждения до температуры жидкого азота начинается продвижение дальше вниз по шкале температур, сжижение пеона, водорода, гелия. Во многих случаях предел чувствительности приемников электромагнитного излучения определяется так называемым тепловым шумом токами, возникающими в приемной системе из-за хаотического движения электронов. Жидкий азот позволяет в несколько раз повысить чувствительность таких приемников по сравнению с комнатными условиями, а жидкий гелий "- более, чем на порядок. Болыпой интерес представляют физические исследования при низких температурах, немыслимые без использования сжиженных газов.
В частности, именно при низких температурах были открыты такие явления, как сверхпроводимость (Каммерлинг-Оннес, 1911) и сверхтекучесть (Капица, 1988). Современные исследования элементарных частиц тесно связаны с применением низких температур: жидководородные пузырьковые камеры, сверх- проводящие соленоиды для получения сильных магнитных полей, изучение свойств ультрахолодных нейтронов при гелиевых температурах и т. д. Размах работ при сверхнизких температурах характеризуется хотя бы такой цифрой: мировое производство жидкого гелия в настоящее время превьппает 8 тыс.
тонн в год. Задачи 1. Моль газа Ван-дер-Ваапьса нзотермнчески расширяется от критического состояния до довятнкратпого увеличения объема. Определить изменение энтропии газа, подведенное к газу тепло и совершенную им работу. Критическую температуру. Т„считагь известной. Решение. Так как температура постоянна, из выражения для энтропии газа Ван-дерВаальса (3.10) имеем: зо = Л, )и[(!гз — Ь)/Я вЂ” Ь)].
По условию !б = !'„= 3Ь, откуда г15 = Н !и 13. Вновь используя условие постоянства температуры, получаем ск = Тг1о = = НТ !и 13. Из Формулы (3.9) для внутренней энергии ЬГ1 = а/!б — а/!' = 8аД27Ь), нли., если использовать выражение для критической температуры (3.6): 410 = НТ . Тогда из первого начала иолу ~аем: А = („> — ЬЬг = ДТ (!и 13 — 1), злдлчи 2. Моль многоатомного газа Ван-дер-Вавльса Сс„= ЗВ), находящийся в критическом состоянии, расширяется в теплоизолнрованный откачанный сосуд, причем занимаемый им объем увеличивается в гл = 17 раз. Определить изменение энтропии газа, г'бп+ ЗЛ /Зп — 1Л Ответ: ЬЯ = С„!и ~ ) -!- и!и ~ ) = 1,9В.
8 ) ~, 2 3. Для демонстрации критического состояния вещества в пробирку заливают такое количество жидкости сэфлгра), дпя которого объем пробирки как раз равен крнтичоскому. После демонстрации пробирка охлюкдается. Оказалось, что при некоторой температуре Т жидкость, плотность которой р = 1,9рсо заполняет ровно половину пробирки. Определить эту температуру. Критическая температура эфира Т„= 487 К. Считать, что эфир (как газ, так и жидкость) во всем диапазоне изменения параметров подчиняется уравнению Ван-дер-Ваальса. Указание. При решении атой задачи удобно использовать приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса.
Ответ: Т = 0,8 Т = 373 К. 4. В сосуд объема 1г = 22,4 дм поместили 1 моль кислорода н 1 моль водорода. Гремучую с»лось лгодожгли. Какая лгаксимшп.ная масса воды может сконденсироваться погше охлаждения продуктов реакции в этом сосуде до температуры Т = 373 Кг Каким при этом будет давление в сосуде? Ответ: масса воды -- 4,8 г, давление -- 1,7 10л Па. б. Определить удельную теплоту испарения воды Лг при температуре Тг = 323 К, если при температуре Тг = 373 К ее значение известно: Лг = 2,20 10л Дж/и Удельную теплоемкость воды в этом диапазоне температур считать постоянной и равной С = 4,20 Дждг К). Решение. Подсчитаем изменение внутренней энергии вещества при переходе из состояния «вода при температуре Тл» в состояние «газ при температуре Тг» двумя способами. а) Сначала вода испаряется, получая тепло Лг я совершая работу Рг*гг = ВТгггр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
