GAS. Gaszustand ist ein Materiezustand, in dem die Kräfte, die zwischen Molekülen wirken, extrem gering sind und die Größe der Moleküle selbst im Vergleich zu den Zwischenräumen zwischen ihnen vernachlässigbar ist. Zwischen Kollisionen bewegen sich Gasmoleküle geradlinig, gleichmäßig und völlig zufällig. Beim Erhitzen und Verdünnen tendieren alle Gase zum Grenzzustand des sogenannten Ideals, oder perfektes Gas.

IN ideales Gas Die intermolekularen Kräfte sind Null und das Volumen der Moleküle selbst ist im Vergleich zum Volumen des intermolekularen Raums unendlich klein. Zustand ideales Gas ist der Grenzverdünnungszustand der Materie, den alle Körper der Natur bei ausreichend hohen Temperaturen und ausreichend niedrigen Drücken erreichen; Darin besteht die besondere Bedeutung des Zustands eines idealen Gases, das auch am einfachsten zu untersuchen und daher am besten untersucht ist. Eine Substanz, die ein extremes Vakuum füllt interplanetarer Raum, kann als im idealen Gaszustand befindlich angesehen werden.

Der Gasdruck (p) wird durch den Aufprall von Gasmolekülen auf die Gefäßwände bestimmt. Entsprechend Kinetische Theorie, Durchschnitt kinetische Energie Gasmoleküle sind proportional Absolute Temperatur. Die kinetische Theorie zeigt, dass ein ideales Gas strikt gehorcht zur folgenden Gleichung Der Zustand verbindet drei Zustandsparameter: v, T und p, von denen zwei unabhängig sind und der dritte ihre Funktion ist:

Diese Gleichung ( Clapeyron-Gleichung) enthält in expliziter Form die drei Grundgesetze des Zustands eines idealen Gases:

1) Boyle-Mariotte-Gesetz. Bei konstanter Temperatur (T) ist das Produkt (p∙v) für angegebene Menge eines idealen Gases ist ein konstanter Wert (p∙v = Const), d. h. das Volumen eines idealen Gases (v) ist umgekehrt proportional zu seinem Druck (p): Die Isothermen eines idealen Gases im Koordinatensystem (v, p ) sind gleichseitige Hyperbeln, deren Asymptoten die Achsenkoordinaten sind

2) . Bei konstantem (p) nimmt das Volumen einer gegebenen Menge idealen Gases linear mit der Temperatur zu:

(v 0 – Volumen bei Temperatur = 0°C, α – Ausdehnungskoeffizient eines idealen Gases). Die Änderung von (p) mit der Temperatur bei v = Const folgt demselben Gesetz:

(α) in Gleichung (3) ist numerisch der Druckkoeffizient gleich dem Koeffizienten Ausdehnung (α) in Gleichung (2) = 1/273,1 = 0,00367 – ein von der Art des Gases unabhängiger und für alle idealen Gase gleicher Wert; p 0 - Druck bei Temperatur = 0°C. Durch Eingabe der absoluten Temperatur statt der Temperatur

wir finden anstelle der Gleichungen (2) und (3):

3) Avogadros Gesetz. Aus Gleichung (1) ist das klar Gaskonstante R = p 0 ∙v 0 /273,1 ist proportional zum Normalvolumen v 0, das von einer bestimmten Gasmenge eingenommen wird normale Bedingungen(p 0 = 1 Atm und t 0 = 0 °C = 273,1 °K), also umgekehrt proportional zur Gasdichte unter Normalbedingungen D 0. Nach dem Avogadro-Gesetz enthalten alle idealen Gase das gleiche (p) und (T). gleiche Volumina(zum Beispiel gleich v 0) gleiche Anzahl Moleküle. Umgekehrt: Eine gleiche Anzahl von Molekülen (zum Beispiel 1 Mol = 1 Gramm Molekül) eines beliebigen Gases im Idealzustand nimmt unter normalen Bedingungen das gleiche Volumen v 0 ein, unabhängig von der Art des Gases (1 Mol eines beliebigen Stoffes enthält N 0 = 6,06∙10 23 einzelne Moleküle – Avogadro-Zahl). Das wurde mit großer Genauigkeit festgestellt normales Molvolumen eines idealen Gases (V 0) m ist gleich 22,412 Liter/mol. Von hier aus können wir die Anzahl der Moleküle in 1 cm 3 eines beliebigen idealen Gases unter normalen Bedingungen berechnen: n0 = 6,06∙10 23 /10 3 ∙22,416 = 2,705∙10 19 cm 3 (Loshmit-Zahl). Unter Verwendung von Gleichung (1) wird das Avogadro-Gesetz dadurch ausgedrückt, dass die Gaskonstante R, wenn sie pro 1 Mol eines beliebigen Gases berechnet wird, unabhängig von der Art des Gases gleich ist. Das. R ist eine universelle Konstante mit der Dimension [ Arbeit]/[Gewicht][Temperatur] und drückt die Expansionsarbeit von 1 Mol eines idealen Gases aus, wenn es bei p = Const um 1°C erhitzt wird:

Das ist es, worum es geht physikalische Bedeutung R.

Finden Sie den Zahlenwert

In anderen Einheiten sind die Werte von R (pro 1 Mol):

Zusätzlich zu den drei besprochenen Gesetzen ergeben sich aus Gleichung (1) des Zustands eines idealen Gases in Verbindung mit den beiden Prinzipien der Thermodynamik folgende Grundgesetze:

4) Joulesches Gesetz. Eine der allgemeinen Gleichungen der Thermodynamik

ergibt zusammen mit Gleichung (1) die folgenden Bedingungen für innere Energie U eines idealen Gases:

d. h. U eines idealen Gases ist nur eine Funktion von T (Joulesches Gesetz); Bei der isothermen Expansion eines idealen Gases wird die gesamte aufgenommene Wärme in äußere Arbeit umgewandelt und wann isotherme Kompression Die gesamte aufgewendete Arbeit wird als Wärme erzeugt.

5) Die Wärmekapazitäten eines idealen Gases bei konstantem Volumen c v und konstantem Druck c p sind allein Funktionen von T. Die Thermodynamik liefert allgemeine Gleichungen

aber für ein ideales Gas hängen (p) und (v) gemäß dem Gay-Lussac-Gesetz (4) und (5) linear von (T) ab; daher werden die rechten Seiten der Gleichungen (9) zu 0 und

Die Wärmekapazitäten c p und c v sind nicht unabhängig voneinander, sondern hängen für ein ideales Gas durch eine einfache Bedingung zusammen:

entstehend aus Gasgesetze(R hat die Dimension der Wärmekapazität), d. h. wenn c p und c v auf 1 Mol eines idealen Gases bezogen sind, dann unterscheiden sie sich um 2 (genauer um 1,986) - cal/mol∙deg voneinander.

In der kinetischen Theorie wird es grundsätzlich akzeptiert gleichmäßige Verteilung Energie, dass es für jeden Freiheitsgrad eines Gasmoleküls eine Energie k 0 ∙T/2 gibt, und zwar für 1 Mol

(k 0 = –R/N 0 ist die für 1 Molekül berechnete Gaskonstante - Boltzmann-Konstante ). Die Anzahl der Freiheitsgrade (i) ist die Zahl unabhängiger Freund von anderen Arten mechanische Energie, die ein Gasmolekül besitzt. Dann beträgt die Energie 1 Mol

(ungefähr unter Berücksichtigung von R = 2, c v = i, c p = i+2).

In der Gaslehre wichtige Rolle spielt die Beziehung c p /c v = γ; aus den Gleichungen (11) und (12):

Im einfachsten Fall einatomiges Gas(dessen Molekül aus einem Atom besteht, wie zum Beispiel die Edelgase und Dämpfe vieler Metalle) i ist das kleinste und gleich 3: Die gesamte Energie des Moleküls wird auf seine kinetische Energie reduziert translatorische Bewegungen, die in drei unabhängigen, zueinander senkrechten Richtungen durchgeführt werden kann; Dann

und γ hat den größtmöglichen Wert: γ = 5/3 = 1,667. Für zweiatomige Gase(H 2, O 2, N 2, CO und andere) kann als I = 3+2 betrachtet werden (zwei Drehungen um zwei zueinander senkrechte Achsen, senkrecht zur Verbindungslinie beider Atome); dann ist c v = 4,96 ≈ 5, cð = 6,95 ≈ 7 und γ = 7/5 = 1,40. Für dreiatomiges Gas(H 2 O, CO 2, H 2 S, N 2 O)i = 3+3 (Rotation um drei zueinander senkrechte Achsen) und c v = 5,96 ≈ 6, cð = 7,95 ≈ 7 und γ = 4/ 3 = 1,33.

Mit weiterer Komplikation der Struktur des Moleküls, d. h. mit einer Zunahme von i, c v und c p nehmen zu, und γ = 1 + 2/i und tendiert zu 1. Tabelle. 1 zeigt, dass alles Gesagte gut mit experimentellen Daten übereinstimmt, dass γ immer >1 und ≤1,667 ist und nicht = 1,50 sein kann (für i = 4).

Bei einatomigen Gasen ändern sich c v und c p der Theorie zufolge praktisch nicht mit der Temperatur (so liegen für Ar die Werte von c v und c p im Bereich von 2,98 bis 3,00 zwischen Temperaturen = 0° und 1000° C). Änderungen von c v und c p mit der Temperatur werden in der Quantentheorie erklärt. Allerdings ändern sich die Wärmekapazitäten nahezu idealer Gase über weite Temperaturbereiche praktisch nicht. c p und y werden normalerweise experimentell bestimmt und c v wird aus diesen Daten berechnet.

Echte Gase. Alle in der Realität existierenden Gase sind reale Gase b. oder m. weichen von den Gesetzen idealer Gase ab, aber je weniger, desto höher die Temperatur und desto niedriger der Druck. Das. Die Gesetze idealer Gase sind für reale Gase einschränkend. Bei gewöhnlichen Temperaturen sind die Abweichungen bei Gasen am geringsten, deren kritische Temperaturen extrem niedrig sind (die sogenannten Permanentgase: He, H2, N2, O2, Luft); Bei Gasen mit einer relativ hohen kritischen Temperatur und bei Dämpfen (Dampf ist ein Gas mit einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur) sind die Abweichungen sehr groß. Die Gründe für die Abweichungen realer Gase von den Gasgesetzen sind: 1) in ihnen wirken intermolekulare Kräfte; Daher werden Oberflächenmoleküle durch Kräfte in Gase hineingezogen, deren Resultierende, die pro Flächeneinheit berechnet und senkrecht dazu gerichtet ist, genannt wird molekularer (innerer) Druck K; 2) nicht das gesamte Gasvolumen (v), sondern nur ein Teil davon (v-b) gibt den Molekülen Bewegungsfreiheit; Ein Teil des Volumens (b), das Covolum, ist sozusagen von den Molekülen selbst besetzt. Wenn das Gas ideal wäre, wäre sein Druck um einen Betrag K größer als der beobachtete (p); also die Zustandsgleichung echtes Gas wird in das Formular geschrieben.

Darin allgemeine Gleichung K und b können von T und v abhängen.

Van der Waals zeigte, dass im einfachsten Fall K = a/v 2 ist und b ein konstanter Wert ist, der dem Vierfachen des Volumens der Gasmoleküle selbst entspricht. Somit hat die Van-der-Waals-Gleichung die Form:

a und b, die Van-der-Waals-Konstanten hängen erfahrungsgemäß immer noch von T und v ab, und daher ist Gleichung (15) nur eine erste Näherung; es vermittelt gut hochwertige Form Isothermen realer Gase.

In Abb. Für die theoretische CO 2 -Isotherme sind die in 1 gezeigten Werte dargestellt: Die S-förmigen Teile dieser Isothermen entsprechen sich thermodynamisch metastabile Zustände.

In Abb. Abbildung 2 zeigt experimentelle Isothermen für CO 2: Die S-förmigen Teile der Kurven werden durch gerade Teile ersetzt; Rechts von diesen Teilen entsprechen die Kurven dem Gas ( ungesättigter Dampf), links - Flüssigkeiten und die geraden Segmente selbst - das Gleichgewicht von Dampf und Flüssigkeit. Gleichung (15), in volle Zustimmung Die Erfahrung zeigt, dass mit zunehmender Temperatur die Abmessungen gerader Segmente auf Isothermen immer kleiner werden (Abb. 2) und schließlich bei einer bestimmten Temperatur, die der kritischen Temperatur entspricht, die Länge dieses Segments 0 wird. Bei einer höheren Temperatur Wenn die kritische Temperatur unterschritten wird, kann sich das Gas ohne Druck nicht in eine Flüssigkeit verwandeln: Die Flüssigkeit hört auf zu existieren. Das. Die Van-der-Waals-Gleichung deckt zwei Zustände ab – gasförmig und flüssig – und dient als Grundlage für die Lehre von der Kontinuität des Übergangs zwischen diesen beiden Zuständen. Für einige Gase gelten kritische Temperaturen folgende Werte: +360°C für H2O, +31°C für CO2, –241°C für H2 und –254°C für He.

Gasverflüssigung. Jedes Gas kann durch geeigneten Druck in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, nachdem es zunächst unter die kritische Temperatur abgekühlt wurde. Für die Verflüssigung von CO 2 erforderlicher Druck (in Atm) bei unterschiedliche Temperaturen sind in der Tabelle angegeben. 2.

Es ist klar, dass dieser Druck Druck ist gesättigter Dampf flüssiges Kohlendioxid und desto niedriger ist die Temperatur.

Um das Gas für die Verflüssigung stark vorzukühlen, nutzen technische Anlagen den Joule-Thomson-Effekt, der darin besteht, dass bei adiabatischer Expansion (zum Beispiel bei starkem Druckabfall beim Ausströmen von Gas aus dem Loch) die innere Energie des Gases nimmt um ΔU zu und T ändert sich um ΔТ, und zwar thermodynamisch

Bei idealen Gasen ist ΔU = 0 und ΔТ = 0 [da nach Gleichung (1) T∙dv/dT – v = 0].

Für reale Gase ist ΔТ ≠ 0, d. h. es kommt zu Abkühlung oder Erwärmung, je nachdem, ob T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(mit ausreichender Näherung). Das. Bei ausreichend hohen Temperaturen erwärmen sich alle Gase während der adiabatischen Expansion (ΔТ > 0, da a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает Umkehrpunkt T i , bestimmt durch die Bedingung

unterhalb dessen sich Gase während der adiabatischen Expansion abzukühlen beginnen (a/R∙T> b bei T< Т i). Для всех газов, кроме Н 2 и Не, Т i лежит выше обычных температур (так, для воздуха Т i соответствует +360°С), и потому газы могут быть сжижены по принципу Линде , без предварительного охлаждения. Для Н 2 инверсионная точка Т i - 80,5°С, а для Не - даже 15°К; поэтому Н 2 и Не для сжижения д. б. предварительно охлаждены ниже этих температур.

Entsprechende Staaten. Kritische Temperatur Tk, Druck pk und Volumen vk m.b. ausgedrückt in Form der Van-der-Waals-Konstanten a, b und R wie folgt:

Wenn wir die kritischen Werte jeweils als Maßeinheiten für T, p und v nehmen, dann wird der Zustand anstelle von T, p und v durch charakterisiert gegebene Werte:

Wenn wir θ, π und ϕ in die Van-der-Waals-Gleichung (15) einführen, heben sich die Konstanten a, b und R auf und wir erhalten reduzierte Zustandsgleichung, mit numerischen Koeffizienten

enthält keine Mengen, die von der Art des Stoffes abhängen. Gleichung (19) setzt jedoch die Richtigkeit der Van-der-Waals-Gleichung voraus, weshalb Abweichungen davon insbesondere bei assoziierten Stoffen oft recht erheblich sind. Die Lehre von entsprechenden Zuständen (den sogenannten Zuständen, die demselben θ, π und ϕ entsprechen) ermöglicht das Finden große Nummer universelle Abhängigkeiten ähnlich Gleichung (19).

Anwendung von Gasen. Komprimierte und verflüssigte Gase werden in der Technik überall dort eingesetzt, wo große Gasmengen in einem kleinen Volumen benötigt werden; So wird CO 2 zur Karbonisierung von Wasser, Cl 2 und Phosgen verwendet Militärische Chemieangelegenheiten, O 2 – für medizinische Zwecke, Druckluft – zum Starten von Motoren Verbrennungs. Eine besondere Bedeutung haben verflüssigte Gase (CO 2 und NH 3) in der Kältetechnik, in Kühlmaschinen (z. B. zur Gewinnung). Kunsteis). Leichte Gase (H 2, Leuchtgas, in In letzter Zeit Wird nicht zum Befüllen von Luftballons verwendet. Zur Befüllung von Halbwatt-Glühlampen werden Inertgase (N 2 und Edelgase, insbesondere Ar) verwendet. Hervorzuheben ist die Verwendung von Gas zur Beleuchtung oder als Brennstoff: Beleuchtung, Strom, Wasser, Gase und andere.

Seit mehr als 30 Jahren werden in der UdSSR und dann in Russland verflüssigte und komprimierte Gase verwendet nationale Wirtschaft. In dieser Zeit wurde genug abgedeckt harter Weg zur Organisation der Buchhaltung verflüssigte Gase, Entwicklung von Technologien für deren Pumpen, Messung, Lagerung und Transport.

Vom Brennen bis zum Erkennen

Historisch gesehen wurde das Potenzial von Gas als Energieträger in unserem Land unterschätzt. Da die Ölproduzenten keine wirtschaftlich gerechtfertigten Anwendungsbereiche sahen, versuchten sie, leichte Fraktionen von Kohlenwasserstoffen loszuwerden und verbrannten sie nutzlos. 1946 erfolgte die Aufspaltung der Gaswirtschaft in unabhängige Industrie revolutionierte die Situation. Das Produktionsvolumen dieser Art von Kohlenwasserstoffen ist stark gestiegen, ebenso wie der Anteil in der russischen Brennstoffbilanz.

Als Wissenschaftler und Ingenieure lernten, Gase zu verflüssigen, wurde es möglich, Gasverflüssigungsunternehmen zu gründen und blauen Kraftstoff in entlegene Gebiete zu liefern, die nicht über eine Gasleitung verfügen, und ihn in jedem Haushalt als Autokraftstoff in der Produktion zu verwenden und auch zu exportieren für harte Währung.

Was sind Flüssiggase?

Sie sind in zwei Gruppen unterteilt:

1. Verflüssigte Kohlenwasserstoffgase (LPG) – sind ein Gemisch Chemische Komponenten, hauptsächlich bestehend aus Wasserstoff und Kohlenstoff mit andere Struktur Moleküle, also ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe Molekulargewicht und unterschiedliche Strukturen.
2. Große Fraktionen leichter Kohlenwasserstoffe (NGL) – umfassen hauptsächlich Mischungen leichter Kohlenwasserstoffe aus den Fraktionen Hexan (C6) und Ethan (C2). Ihre typische Zusammensetzung: Ethan 2–5 %, Flüssiggasfraktionen C4–C5 40–85 %, Hexanfraktion C6 15–30 %, der Rest entfällt auf die Pentanfraktion.

Flüssiggas: Propan, Butan

In der Gasindustrie wird Flüssiggas im industriellen Maßstab eingesetzt. Ihre Hauptbestandteile sind Propan und Butan. Sie enthalten außerdem leichtere Kohlenwasserstoffe (Methan und Ethan) und schwerere (Pentan) als Verunreinigungen. Bei allen aufgeführten Komponenten handelt es sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe. LPG kann auch enthalten sein ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Ethylen, Propylen, Butylen. Butan-Butylene können in Form isomerer Verbindungen (Isobutan und Isobutylen) vorliegen.

Verflüssigungstechnologien

Das Verflüssigen von Gasen lernten sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts: 1913 wurde der Nobelpreis an den Niederländer K. O. Heike für die Verflüssigung von Helium verliehen. Einige Gase werden durch einfaches Abkühlen in einen flüssigen Zustand gebracht zusätzliche Bedingungen. Die meisten „industriellen“ Kohlenwasserstoffgase (Kohlendioxid, Ethan, Ammoniak, Butan, Propan) werden jedoch unter Druck verflüssigt.

Die Produktion von Flüssiggas erfolgt in Gasverflüssigungsanlagen, die sich entweder in der Nähe von Kohlenwasserstoffvorkommen oder entlang des Weges von Gaspipelines in der Nähe großer Gaspipelines befinden Verkehrsknotenpunkte. Verflüssigtes (oder komprimiertes) Erdgas kann problemlos auf der Straße, auf der Schiene oder auf der Straße geliefert werden durch Wassertransport Es gelangt zum Endverbraucher, wo es gespeichert werden kann, anschließend wird es wieder in einen gasförmigen Zustand überführt und in das Gasversorgungsnetz eingespeist.

Spezialausrüstung

Zur Verflüssigung von Gasen werden spezielle Anlagen eingesetzt. Sie reduzieren die Menge an blauem Kraftstoff deutlich und erhöhen die Energiedichte. Mit ihrer Hilfe können Sie durchführen verschiedene Wege Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen abhängig von der späteren Anwendung, den Eigenschaften des Einsatzstoffs und den Umgebungsbedingungen.

Verflüssigungs- und Kompressionsanlagen sind für die Gasaufbereitung konzipiert und in Blockbauweise (modular) oder komplett in Containern ausgeführt. Dank Regasifizierungsstationen wird eine kostengünstige Versorgung möglich natürlicher Brennstoff selbst die entlegensten Regionen. Die Regasifizierungsanlage ermöglicht auch die Speicherung und Bereitstellung von Erdgas erforderliche Menge abhängig von der Nachfrage (z. B. während Spitzenverbrauchszeiten).

Die meisten der verschiedenen Gase finden im verflüssigten Zustand praktische Anwendung:

• Flüssiges Chlor wird zum Desinfizieren und Bleichen von Stoffen verwendet und wird als chemische Waffe eingesetzt.
• Sauerstoff - drin medizinische Einrichtungen für Patienten mit Atemproblemen.
• Stickstoff – in der Kryochirurgie zum Einfrieren von organischem Gewebe.
• Wasserstoff ist wie Kerosin. In letzter Zeit sind Autos mit Wasserstoffantrieb auf den Markt gekommen.
• Argon – in der Industrie zum Metallschneiden und Plasmaschweißen.

Es ist auch möglich, Kohlenwasserstoffgase zu verflüssigen, die beliebtesten davon sind Propan und Butan (n-Butan, Isobutan):

• Propan (C3H8) ist ein Stoff organischen Ursprungs aus der Klasse der Alkane. Erhalten von Erdgas und beim Cracken von Erdölprodukten. Ein farb- und geruchloses Gas, das in Wasser schwer löslich ist. Wird als Brennstoff für die Synthese von Polypropylen, die Herstellung von Lösungsmitteln usw. verwendet Nahrungsmittelindustrie(Zusatzstoff E944).
• Butan (C4H10), eine Klasse von Alkanen. Ein farbloses, geruchloses, brennbares Gas, das sich leicht verflüssigen lässt. Wird aus Gaskondensat, Erdölgas (bis zu 12 %), beim Cracken von Erdölprodukten gewonnen. Wird als Kraftstoff verwendet Chemieindustrie, in Kühlschränken als Kältemittel, in der Lebensmittelindustrie (Zusatzstoff E943).

Eigenschaften von Flüssiggas

Der Hauptvorteil von Flüssiggas besteht darin, dass es bei Umgebungstemperaturen und moderaten Drücken sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Zustand vorkommen kann. Im flüssigen Zustand sind sie leicht zu verarbeiten, zu lagern und zu transportieren, im gasförmigen Zustand schon beste Charakterisierung Verbrennung.

Der Zustand von Kohlenwasserstoffsystemen wird durch eine Reihe von Einflüssen bestimmt Unterschiedliche Faktoren, also für volle Eigenschaften Sie müssen alle Parameter kennen. Zu den wichtigsten Faktoren, die direkt gemessen werden können und Einfluss auf das Strömungsregime haben, gehören: Druck, Temperatur, Dichte, Viskosität, Konzentration der Komponenten, Phasenbeziehungen.

Das System befindet sich im Gleichgewicht, wenn alle Parameter unverändert bleiben. In diesem Zustand finden im System keine sichtbaren qualitativen und quantitativen Metamorphosen statt. Das Ändern auch nur eines Parameters stellt einen Verstoß dar Gleichgewichtszustand System, was den einen oder anderen Prozess verursacht.

Eigenschaften

Bei der Lagerung und dem Transport von Flüssiggasen Aggregatzustand Veränderungen: Ein Teil der Substanz verdampft und geht in einen gasförmigen Zustand über, ein Teil kondensiert – wird flüssig. Diese Eigenschaft von Flüssiggasen ist eine der entscheidenden Eigenschaften bei der Gestaltung von Speicher- und Verteilungssystemen. Wenn kochende Flüssigkeit aus Reservoirs entnommen und durch eine Rohrleitung transportiert wird, verdampft ein Teil der Flüssigkeit durch Druckverlust, es entsteht eine Zweiphasenströmung, deren Dampfdruck von der Temperatur der Strömung abhängt, die niedriger als die Temperatur ist im Stausee. Wenn die Bewegung einer zweiphasigen Flüssigkeit durch die Rohrleitung stoppt, gleicht sich der Druck an allen Punkten aus und entspricht dem Dampfdruck.

Jedes Gas kann durch einfache Kompression in Flüssigkeit umgewandelt werden, solange seine Temperatur unter der kritischen Temperatur liegt. Daher ist die Einteilung von Stoffen in Flüssigkeiten und Gase weitgehend willkürlich. Stoffe, die wir üblicherweise als Gase betrachten, haben lediglich sehr niedrige kritische Temperaturen und können daher bei einer Temperatur nahe der Raumtemperatur nicht in flüssigem Zustand vorliegen. Im Gegensatz dazu haben Stoffe, die wir als Flüssigkeiten einstufen, hohe kritische Temperaturen.
Das erste Gas (Ammoniak) wurde bereits 1799 in Flüssigkeit umgewandelt. Weitere Erfolge bei der Verflüssigung von Gasen sind mit dem Namen des englischen Physikers M. Faraday (1791-1867) verbunden, der Gase durch gleichzeitiges Abkühlen und Komprimieren verflüssigte.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Von allen damals bekannten Gasen blieben nur sechs übrig, die nicht in Flüssigkeit umgewandelt wurden: Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Lachgas, Kohlenmonoxid und Methan – sie wurden Permanentgase genannt. Die Verflüssigung dieser Gase verzögerte sich um ein weiteres Vierteljahrhundert, da die Technologie zur Temperaturabsenkung unzureichend entwickelt war und sie nicht unter die kritische Temperatur abgekühlt werden konnten. Als die Physiker lernten, Temperaturen in der Größenordnung von 1 K zu erreichen, gelang es ihnen, alle Gase, einschließlich Helium, nicht nur in einen flüssigen, sondern auch in einen festen Zustand umzuwandeln.
Gasverflüssigungsanlagen
Es gibt viele Arten von Maschinen zur Herstellung von Flüssiggasen, insbesondere von Flüssigluft. In modernen Industrieanlagen wird eine erhebliche Abkühlung durch die Expansion des Gases unter Wärmeisolationsbedingungen (adiabatische Expansion) erreicht.
Solche Maschinen werden Expander genannt. Das expandierende Gas bewegt unter Nutzung seiner inneren Energie einen Kolben (Kolbenexpander) oder dreht eine Turbine (Turbinenexpander) und wird daher gekühlt.
Hochleistungs-Turboexpander niedriger Druck wurden vom Akademiker P. L. Kapitsa entwickelt. Seit den 50er Jahren arbeiten weltweit alle großen Anlagen zur Luftverflüssigung nach dem Kapitsa-Schema.
Kapitsa Petr Leonidovich (1894-1984) – berühmt Sowjetischer Physiker; Preisträger Nobelpreis; Schüler von E. Rutherford.
Kapitsa entdeckte die Superfluidität von flüssigem Helium und entwickelte neue industrielle Methoden zur Verflüssigung von Gasen. Sehr wichtig haben Kapitsas Arbeit zur Schaffung superstarker Magnetfelder und elektronischer Hochleistungsgeneratoren.
Abbildung 6.14 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Kolbenexpanders. Atmosphärische Luft gelangt in den Kompressor 1, wo sie auf einen Druck von mehreren zehn Atmosphären komprimiert wird. Die bei der Kompression erhitzte Luft wird im Wärmetauscher 2 durch fließendes Wasser abgekühlt und gelangt in den Expanderzylinder 3. Dort expandiert sie, verrichtet Arbeit durch Drücken des Kolbens und wird so stark abgekühlt, dass sie zu Flüssigkeit kondensiert. Verflüssigte Luft gelangt in Behälter 4.
Luft

Der Siedepunkt flüssiger Luft ist sehr niedrig. Bei Atmosphärendruck beträgt die Temperatur -193 °C. Daher ist flüssige Luft in einem offenen Gefäß, wenn ihr Dampfdruck gleich ist Luftdruck, Sieden. Da die umgebenden Körper viel wärmer sind, wäre der Wärmeeintrag in flüssige Luft, wenn sie in gewöhnlichen Gefäßen gespeichert würde, so groß, dass für sehr kurzfristig Die gesamte flüssige Luft würde verdunsten.
Lagerung von Flüssiggasen

Reis. 6.15
Um die Luft im flüssigen Zustand zu halten, muss der Wärmeaustausch mit ihr verhindert werden Umfeld. Zu diesem Zweck wird flüssige Luft (und andere flüssige Gase) in spezielle Gefäße, sogenannte Dewar-Gefäße, gefüllt. Ein Dewargefäß ist genauso aufgebaut wie eine normale Thermoskanne. Es verfügt über doppelte Glaswände, aus deren Zwischenraum Luft abgepumpt wird (Abb. 6.15). Dadurch verringert sich die Wärmeleitfähigkeit des Gefäßes. Die Innenwand ist glänzend (versilbert), um die Erwärmung durch Strahlung zu reduzieren. Dewar-Gefäße haben einen schmalen Hals; wenn darin verflüssigte Gase gelagert werden, werden diese offen gelassen, damit das im Gefäß enthaltene Gas die Möglichkeit hat, nach und nach zu verdampfen. Durch den Wärmeverlust durch Verdunstung bleibt Flüssiggas stets kalt. In einem guten Dewargefäß kann flüssige Luft mehrere Wochen lang aufbewahrt werden.
Anwendung von Flüssiggasen
Die Verflüssigung von Gasen hat technische und wissenschaftliche Bedeutung. Luftverflüssigung wird in der Technik genutzt, um Luft in ihre Bestandteile zu zerlegen. Die Methode basiert auf der Tatsache, dass die verschiedenen Gase, aus denen die Luft besteht, bei sieden unterschiedliche Temperaturen. Helium, Neon, Stickstoff und Argon haben die niedrigsten Siedepunkte. Sauerstoff hat einen etwas höheren Siedepunkt als Argon. Daher werden zuerst Helium, Neon, Stickstoff und dann Argon und Sauerstoff verdampft.
Es werden verflüssigte Gase gefunden Breite Anwendung in der Technik. Stickstoff wird zur Herstellung von Ammoniak und verwendet Stickstoffsalze, benutzt in Landwirtschaft zur Düngung des Bodens. Zur Befüllung werden Argon, Neon und andere Inertgase verwendet elektrische Lampen Glühlampen sowie Gaslampen. Sauerstoff hat den größten Nutzen. Wenn es mit Acetylen oder Wasserstoff vermischt wird, entsteht eine Flamme mit sehr hoher Temperatur, die zum Schneiden und Schweißen von Metallen verwendet wird. Die Injektion von Sauerstoff (Sauerstoffstoß) beschleunigt metallurgische Prozesse. In Kissen aus Apotheken gelieferter Sauerstoff lindert das Leiden der Patienten. Es ist besonders wichtig, es zu verwenden flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel für Weltraumraketentriebwerke. Die Motoren der Trägerrakete, die den ersten Kosmonauten Yu. A. Gagarin ins All beförderte, wurden mit flüssigem Sauerstoff betrieben.
Als Brennstoff wird flüssiger Wasserstoff verwendet Weltraumraketen. Für die Betankung der amerikanischen Saturn-5-Rakete werden beispielsweise 90 Tonnen benötigt flüssiger Wasserstoff. Gase, die in der Industrie, Medizin usw. verwendet werden, sind im verflüssigten Zustand leichter zu transportieren, da sie das gleiche Volumen enthalten große Menge Substanzen. So werden sie in Stahlflaschen geliefert flüssiges Kohlendioxid zu kohlensäurehaltigen Wasserfabriken.
Flüssiges Ammoniak wird häufig in Kühlschränken verwendet – riesigen Lagerhallen, in denen verderbliche Lebensmittel gelagert werden. Die bei der Verdampfung von Flüssiggasen entstehende Kühlung wird in Kühlschränken beim Transport verderblicher Produkte genutzt.
Der Wert der Gasverflüssigung für wissenschaftliche Forschung
Die Umwandlung aller Gase in einen flüssigen Zustand bestätigte erneut die Einheit in der Struktur der Stoffe. Es zeigte sich, dass der Zustand eines Stoffes von seiner Temperatur und seinem Druck abhängt und nicht ein für alle Mal für einen bestimmten Körper bestimmt werden kann.
Andererseits haben die bei der Verflüssigung von Gasen erreichten niedrigen Temperaturen die Grenzen der wissenschaftlichen Forschung erheblich erweitert und es ermöglicht, Veränderungen vieler Stoffeigenschaften bei extrem niedrigen Temperaturen festzustellen. Elastische Körper B. aus Gummi, werden bei diesen Temperaturen ebenso spröde wie Glas. Ein Stück Gummi nach dem Abkühlen flüssige Luft bricht leicht und der Gummiball zerbricht beim Aufprall. Quecksilber und Zink werden bei niedrigen Temperaturen formbar und Blei, ein plastisches Metall, wird elastisch wie Stahl. Eine Glocke aus Bleiringen. Viele Stoffe (Alkohol, Eierschalen etc.) erzeugen bei Beleuchtung mit weißem Licht eine eigene Strahlung verschiedene Farben(meist grün-gelb).
Bei niedrigen Temperaturen Intensität thermische Bewegung nimmt stark ab, so dass es möglich wird, eine Reihe von Phänomenen zu beobachten, die bei höheren Temperaturen durch die thermische Bewegung von Molekülen verborgen sind.
Bei Temperaturen nahe Absoluter Nullpunkt, stark verändern elektrische Eigenschaften einige Metalle und Legierungen: ihre Beständigkeit elektrischer Strom wird gleich Null. Dieses als Supraleitung bezeichnete Phänomen wurde 1911 von G. Kamerlingh Onnes entdeckt. Bei einer Temperatur von 2,2 K verschwindet die Viskosität in flüssigem Helium, d. h. es erhält die Eigenschaft der Supraflüssigkeit. Die Superfluidität wurde von P. JI entdeckt. Kapitsa im Jahr 1938
Gase wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Helium können nur bei sehr niedrigen Temperaturen in flüssigem Zustand vorliegen. Bei solchen Temperaturen werden sie gefunden besondere Eigenschaften darin maskierte Substanzen normale Bedingungen thermische Bewegung von Molekülen. Diese Eigenschaften werden sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik genutzt.

Damit eine Gasverflüssigung stattfinden kann, müssen die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen ausreichen, um sie zu einer Flüssigkeit zu binden. Anziehungskräfte werden erst bei kleinen Abständen zwischen Molekülen von Bedeutung. Dieser Zustand wird begünstigt Hoher Drück. Die Wirkung anziehender Kräfte wird durch die Bewegung der Moleküle verhindert, die umso schneller (mit größerer kinetischer Energie) erfolgt, je höher die Temperatur ist. Daher wird die Verflüssigung von Gasen durch eine Temperaturabsenkung begünstigt.

Je höher die Temperatur, desto schwieriger ist es, Gas zu verflüssigen., da mit mehr hohe Temperatur Zur Verflüssigung des Gases ist auch ein höherer Druck erforderlich (Tabelle 3.4). Ab einer bestimmten Temperatur kann Gas überhaupt nicht mehr verflüssigt werden. Diese Temperatur wird als kritisch bezeichnet und mit Tc bezeichnet. Der Mindestdruck, der erforderlich ist, um ein Gas bei seiner kritischen Temperatur zu verflüssigen, wird als kritischer Druck bezeichnet und mit pc bezeichnet. Das Volumen, das ein Mol Gas bei seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck einnimmt, wird als kritisches Volumen bezeichnet und mit Vc bezeichnet. Die Werte von Tc, pc und Vc für jedes Gas werden als seine kritischen Konstanten bezeichnet. In der Tabelle Tabelle 3.5 zeigt die Werte kritischer Konstanten für einige Gase.

Tabelle 3.4. Drücke, die erforderlich sind, um CO2 bei unterschiedlichen Temperaturen zu verflüssigen

Im Jahr 1863 erhielt Thomas Andrews durch die Untersuchung der Beziehung zwischen Druck und Volumen einer bestimmten Masse Kohlendioxid bei verschiedenen Temperaturen eine Reihe von Isothermen (Diagramme der Beziehung zwischen Druck und Volumen bei einer konstanten Temperatur), die sogenannten Andrews-Isothermen (Abb . 3.11). Die Isotherme für CO2 bei 321 K zeigt, dass sich dieses Gas bei dieser Temperatur unter keinem Druck oder Volumen verflüssigt. Tatsache ist, dass die Temperatur von 321 K höher ist als die kritische Temperatur für CO2, die 304 K entspricht. Die der kritischen Temperatur entsprechende Isotherme wird als kritische Isotherme bezeichnet. Punkt P auf dieser Isotherme entspricht dem Gas bei seinen kritischen Werten von Temperatur, Druck und Volumen. Unter den diesem Punkt entsprechenden Bedingungen befindet sich das Gas in seinem kritischen Zustand. In Abb. Abbildung 3.11 zeigt zwei CO2-Isothermen bei Temperaturen unterhalb des kritischen Werts. Betrachten wir diejenige, die einer Temperatur von 286 K entspricht.

Reis. 3.11. Andrews-Isothermen für CO2.

Die Bewegung entlang dieser Isotherme von Punkt A nach Punkt B entspricht einer Gaskompression bei steigendem Druck. Zwischen den Punkten B und C tritt auf große Veränderung Volumen, das nicht mit einer Druckänderung einhergeht. Dieser Vorgang entspricht der Verflüssigung von Gas bei einer bestimmten Temperatur. Zwischen den Punkten C und D kommt es zu einem Druckanstieg kleine Veränderung Volumen. Die Kompressibilität von Flüssigkeiten ist im Vergleich zur Kompressibilität von Gasen sehr gering.

Dämpfe und „permanente Gase“. Ungefähr bis Mitte des 19 V. Stoffe im gasförmigen Zustand wurden in Dämpfe und „permanente Gase“ unterteilt. Als „permanente Gase“ bezeichnete man beispielsweise Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, die durch Druckerhöhung nicht in einen flüssigen Zustand überführt werden konnten.

Raten Sie über die Abwesenheit grundlegender Unterschied zwischen Dämpfen und „permanenten Gasen“ ausgedrückt wurde spätes XVII V. Lavoisier. Er glaubte, dass bei einer ausreichend niedrigen Temperatur die atmosphärische Luft. Das erste der permanenten Gase war Ammoniak, das durch Druckerhöhung auf 100 °C verflüssigt wurde. Im Jahr 1823 gelang es Michael Faraday, Chlorgas durch Abkühlen in eine Flüssigkeit umzuwandeln Bluthochdruck. Im Jahr 1877 gelang es dem französischen Ingenieur Calhetei und dem Schweizer Physiker Pictet unabhängig voneinander, Sauerstoff zu verflüssigen, indem sie den Druck auf etwa 100 °C erhöhten und auf eine Temperatur unter -140 °C abkühlten. Im selben Jahr wurde Stickstoff verflüssigt. Im Jahr 1898 Englischer Physiker Dewar gelang die Verflüssigung von Wasserstoff, und 1908 verflüssigte Kamerlingh Onnes in Holland Helium – das letzte Gas, das vor ihm noch niemand verflüssigt hatte.

So wurde festgestellt, dass aus Gaszustand Jeder Stoff kann in Flüssigkeit umgewandelt werden. Allerdings kann jeder Stoff eine solche Umwandlung nur bei Temperaturen unterhalb einer bestimmten, sogenannten kritischen Temperatur Tc erfahren. Bei Temperaturen darüber kritische Substanz wird nicht flüssig bzw solide bei jedem Druck. Es ist offensichtlich, dass bei einer kritischen Temperatur die durchschnittliche kinetische Energie der thermischen Bewegung der Moleküle eines Stoffes die potentielle Energie ihrer Bindung in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff übersteigt. Da die Anziehungskräfte zwischen Molekülen wirken verschiedene Substanzen, unterschiedlich, ungleich und potenzielle Energie ihre Verbindungen, daher sind die Werte der kritischen Temperatur für verschiedene Stoffe unterschiedlich.

Verflüssigung von Gasen. Schauen wir uns die Grundprinzipien von Gasverflüssigungsmaschinen an. Die erste Voraussetzung, die erfüllt sein muss, um ein Gas in eine Flüssigkeit umzuwandeln, besteht darin, es auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur abzukühlen. Bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur kann jedes Gas durch Druckerhöhung in einen flüssigen Zustand überführt werden, sodass die Verflüssigung von Gasen mit einer kritischen Temperatur über 0 °C keine grundsätzliche Schwierigkeit darstellt. Mehr herausfordernde Aufgabe ist die Verflüssigung von Gasen, deren kritische Temperatur deutlich unter Null liegt. Solche Gase sind Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Helium, deren kritische Temperaturen jeweils -118,4, -146,9, -240 und -268 °C betragen. Derart niedrige Temperaturen kommen auf der Erde unter natürlichen Bedingungen nicht vor, so dass das Problem der Verflüssigung dieser Gase eng mit dem Problem der Erzielung niedriger Temperaturen verbunden ist. Die Hauptmethode zum Kühlen eines Gases besteht darin, es unter Arbeitsleistung auszudehnen.

Kompressionskühlschrank. MIT die einfachste Maschine, in dem Gas verflüssigt wird, finden Sie am Beispiel eines heimischen Kompressionskühlschranks (Farbtafel I).

Das Arbeitsmedium im Kühlschrank ist Freongas. Das Kondensator- und Verdampfersystem ist mit Freon gefüllt. Der von einem Elektromotor angetriebene Kompressor pumpt Freongas aus dem Verdampfer und pumpt es in den Kondensator. Beim Komprimieren erwärmt sich Freon. Abkühlen Zimmertemperatur wird in einem Kondensator erzeugt, der sich normalerweise an der Rückwand des Kühlschranks befindet. Freon wird bei erhöhtem Druck, der im Kondensator mithilfe eines Kompressors erzeugt wird, auf Raumtemperatur abgekühlt und geht in einen flüssigen Zustand über. Vom Kondensator fließt flüssiges Freon durch Kapillarrohr gelangt in den Verdampfer. Durch das Pumpen von Freondampf aus dem Verdampfer mit einem Kompressor wird darin ein Unterdruck aufrechterhalten. Bei reduziertem Druck im Verdampfer siedet und verdampft flüssiges Freon auch bei Temperaturen unter 0 °C. Die Wärme für die Freon-Verdampfung wird den Wänden des Verdampfers entzogen, wodurch diese abkühlen. Die evakuierten Freondämpfe gelangen in einen geschlossenen Kreislauf in das Kompressorgehäuse, von dort wieder zum Kondensator usw.

Am meisten niedrige Temperatur, die im Verdampfer (Gefrierschrank) erhalten werden kann, wird durch den Wert des Freon-Dampfdrucks bestimmt, da der Siedepunkt von Freon wie bei jeder anderen Flüssigkeit mit abnehmendem Druck abnimmt. Bei konstante Geschwindigkeit Wenn flüssiges Freon durch ein Kapillarrohr vom Kondensator in den Verdampfer gelangt, ist der Freon-Dampfdruck im Verdampfer umso niedriger, je länger der Kompressor läuft. Wenn die Temperatur im Verdampfer nicht auf den maximal erreichbaren Wert gesenkt werden muss, wird der Betrieb des Kompressors regelmäßig gestoppt, indem der ihn antreibende Elektromotor ausgeschaltet wird. Der Kompressor schaltet sich automatisch ab und sorgt so dafür, dass der Kühlschrank die eingestellte Temperatur beibehält.