GAS. Keadaan gas adalah suatu keadaan materi dimana gaya yang bekerja antar molekul sangat kecil dan ukuran molekul itu sendiri dapat diabaikan jika dibandingkan dengan jarak antar molekul. Di antara tumbukan, molekul gas bergerak lurus, seragam dan acak sempurna. Ketika dipanaskan dan dijernihkan, semua gas cenderung ke keadaan batas yang disebut ideal, atau gas sempurna.
DI DALAM gas ideal gaya antarmolekul adalah nol, dan volume molekul itu sendiri sangat kecil dibandingkan dengan volume ruang antarmolekul. Negara gas ideal adalah keadaan cair yang membatasi dimana semua benda di alam cenderung berada pada suhu yang cukup tinggi dan tekanan yang cukup rendah; Inilah arti khusus dari keadaan gas ideal, yang juga paling mudah dipelajari dan karenanya paling banyak dipelajari. Suatu zat yang mengisi ruang hampa ekstrim ruang antarplanet, dapat dianggap berada dalam keadaan gas ideal.
Tekanan gas (p) ditentukan oleh tumbukan molekul gas pada dinding bejana. Berdasarkan teori kinetik, rata-rata energi kinetik molekul gas sebanding suhu absolut. Teori kinetik menunjukkan bahwa gas ideal mematuhinya dengan ketat ke persamaan berikut keadaan yang menghubungkan tiga parameter keadaan: v, T dan p, dua di antaranya independen, dan yang ketiga adalah fungsinya:
Persamaan ini ( persamaan Clapeyron) memuat secara eksplisit tiga hukum dasar keadaan gas ideal:
1) Hukum Boyle-Mariotte. Pada suhu konstan (T), produk (p∙v) untuk kuantitas yang diberikan gas ideal bernilai konstan (p∙v = Const), yaitu volume gas ideal (v) berbanding terbalik dengan tekanannya (p): isoterm gas ideal pada sistem koordinat (v, p ) adalah hiperbola sama sisi, asimtotnya adalah koordinat sumbu
2) . Pada konstanta (p), volume sejumlah gas ideal meningkat secara linier terhadap suhu:
(v 0 - volume pada suhu = 0°C, α - koefisien muai gas ideal). Perubahan (p) dengan suhu pada v = Const mengikuti hukum yang sama:
(α) pada persamaan (3) adalah koefisien tekanan, secara numerik sama dengan koefisien pemuaian (α) pada persamaan (2) = 1/273.1 = 0,00367 - nilai yang tidak bergantung pada sifat gas dan sama untuk semua gas ideal; p 0 - tekanan pada suhu = 0°C. Dengan memasukkan suhu absolut, bukan suhu
kita temukan alih-alih persamaan (2) dan (3):
3) hukum Avogadro. Dari persamaan (1) jelas bahwa konstanta gas R = p 0 ∙v 0 /273.1 sebanding dengan volume normal v 0 yang ditempati oleh sejumlah gas pada kondisi normal(p 0 = 1 Atm dan t 0 = 0 °C = 273,1 ° K), yaitu berbanding terbalik dengan massa jenis gas pada kondisi normal D 0. Menurut hukum Avogadro, dengan (p) dan (T) yang sama, semua gas ideal mengandung volume yang sama(misalnya, sama dengan v 0) jumlah yang sama molekul. Sebaliknya: jumlah molekul yang sama (misalnya, 1 mol = 1 gram molekul) gas apa pun dalam keadaan ideal menempati volume yang sama v 0 dalam kondisi normal, apa pun sifat gasnya (1 mol zat apa pun mengandung N 0 = 6,06∙10 23 molekul individu - bilangan Avogadro). Ditemukan dengan sangat akurat bahwa volume molar normal setiap gas ideal (V 0) m sama dengan 22,412 liter/mol. Dari sini kita dapat menghitung jumlah molekul dalam 1 cm 3 gas ideal apa pun dalam kondisi normal: n0 = 6,06∙10 23 /10 3 ∙22,416 = 2,705∙10 19 cm 3 (bilangan Loshmit). Dengan menggunakan persamaan (1), hukum Avogadro dinyatakan dalam kenyataan bahwa konstanta gas R bila dihitung per 1 mol gas apa pun akan sama, apa pun sifat gasnya. Itu. R adalah konstanta universal dengan dimensi [ Pekerjaan]/[berat][suhu] dan menyatakan usaha pemuaian 1 mol gas ideal ketika dipanaskan sebesar 1°C pada p = Const:
itulah intinya arti fisik R.
temukan nilai numeriknya
Dalam satuan lain, nilai R (per 1 mol) adalah:
Selain ketiga hukum yang dibahas, hukum dasar berikut mengikuti persamaan (1) keadaan gas ideal sehubungan dengan dua prinsip termodinamika:
4) hukum Joule. Salah satu persamaan umum termodinamika
memberikan, bersama dengan persamaan (1), kondisi berikut untuk energi dalam U dari gas ideal:
yaitu U dari gas ideal merupakan fungsi dari T saja (hukum Joule); selama pemuaian isotermal gas ideal, semua panas yang diserap diubah menjadi kerja eksternal, dan kapan kompresi isotermal semua pekerjaan yang dikeluarkan dihasilkan sebagai panas.
5) Kapasitas kalor gas ideal pada volume konstan c v dan pada tekanan konstan c p merupakan fungsi dari T saja.Termodinamika memberikan persamaan umum
tetapi untuk gas ideal (p) dan (v) bergantung secara linier pada (T), menurut hukum Gay-Lussac (4) dan (5); oleh karena itu, ruas kanan persamaan (9) berubah menjadi 0 dan
Kapasitas kalor c p dan c v tidak berdiri sendiri satu sama lain, tetapi untuk gas ideal berhubungan dengan kondisi sederhana:
yang timbul dari hukum gas(R mempunyai dimensi kapasitas panas), yaitu jika c p dan c v berhubungan dengan 1 mol gas ideal, maka keduanya berbeda satu sama lain sebesar 2 (lebih tepatnya, sebesar 1,986) - cal/mol∙deg.
Dalam teori kinetik diterima, menurut prinsipnya distribusi seragam energi, bahwa untuk setiap derajat kebebasan molekul gas terdapat energi k 0 ∙T/2, dan untuk 1 mol terdapat
(k 0 = –R/N 0 adalah konstanta gas yang dihitung untuk 1 molekul - Konstanta Boltzmann ). Banyaknya derajat kebebasan (i) adalah bilangan teman mandiri dari spesies lain energi mekanik, yang dimiliki molekul gas. Maka energinya adalah 1 mol
(kira-kira, mengingat R = 2, c v = i, c p = i+2).
Dalam doktrin gas peran penting memainkan relasi c p /c v = γ; dari persamaan (11) dan (12):
Dalam kasus yang paling sederhana gas monatomik(molekul yang terdiri dari 1 atom, seperti gas mulia dan uap banyak logam) i adalah yang terkecil dan sama dengan 3: seluruh energi molekul direduksi menjadi energi kinetiknya gerakan translasi, yang dapat dilakukan dalam tiga arah independen yang saling tegak lurus; Kemudian
dan γ mempunyai nilai terbesar yang mungkin: γ = 5/3 = 1,667. Untuk gas diatomik(H 2, O 2, N 2, CO dan lain-lain) dapat dianggap I = 3+2 (dua putaran mengelilingi dua sumbu yang saling tegak lurus, tegak lurus terhadap garis yang menghubungkan kedua atom); maka c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 dan γ = 7/5 = 1,40. Untuk gas triatomik(H 2 O, CO 2, H 2 S, N 2 O)i = 3+3 (rotasi pada tiga sumbu yang saling tegak lurus) dan c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 dan γ = 4/ 3 = 1,33.
Dengan komplikasi lebih lanjut dari struktur molekul, yaitu dengan peningkatan i, c v dan c p meningkat, dan γ = 1 + 2/i dan cenderung 1. Tabel. Gambar 1 menunjukkan bahwa semua hal di atas sesuai dengan data eksperimen, bahwa γ selalu >1 dan ≤1,667 dan tidak mungkin = 1,50 (untuk i = 4).
Untuk gas monoatomik, c v dan c p, sesuai dengan teori, praktis tidak berubah terhadap suhu (jadi, untuk Ar, nilai c v dan c p terletak pada kisaran 2,98 hingga 3,00 antara suhu = 0° dan 1000° C). Perubahan c v dan c p dengan suhu dijelaskan dalam teori kuantum. Namun, kapasitas panas gas yang mendekati ideal praktis tidak berubah pada rentang suhu yang luas. c p dan y biasanya ditentukan secara eksperimental, dan c v dihitung dari data ini.
Gas nyata. Semua gas yang ada pada kenyataannya adalah gas nyata b. atau m.menyimpang dari hukum gas ideal, tetapi semakin kecil suhunya, semakin rendah tekanannya. Itu. hukum gas ideal terbatas pada gas nyata. Pada suhu biasa, penyimpangan paling kecil terjadi pada gas yang suhu kritisnya sangat rendah (yang disebut gas permanen: He, H2, N2, O2, udara); untuk gas dengan suhu kritis yang relatif tinggi dan untuk uap (uap adalah gas yang suhunya di bawah suhu kritis), penyimpangannya sangat signifikan. Alasan penyimpangan gas nyata dari hukum gas adalah: 1) gaya antarmolekul bekerja di dalamnya; oleh karena itu, molekul permukaan ditarik ke dalam gas oleh gaya-gaya yang resultannya, dihitung per satuan permukaan dan diarahkan tegak lurus terhadapnya, disebut tekanan molekul (internal) K; 2) tidak seluruh volume gas (v), tetapi hanya sebagian saja (v-b) yang memberikan kebebasan bagi pergerakan molekul; bagian dari volume (b), covolum, seolah-olah ditempati oleh molekul itu sendiri. Jika gasnya ideal, tekanannya akan lebih besar dari tekanan yang diamati (p) sebesar K; jadi persamaan keadaan gas nyata akan ditulis dalam formulir.
Karena persamaan umum K dan b mungkin bergantung pada T dan v.
Van der Waals menunjukkan bahwa dalam kasus paling sederhana, K = a/v 2, dan b adalah nilai konstanta yang setara dengan empat kali volume molekul gas itu sendiri. Jadi, persamaan van der Waals berbentuk:
a dan b, konstanta van der Waals, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, masih bergantung pada T dan v, dan oleh karena itu persamaan (15) hanyalah perkiraan pertama; itu disampaikan dengan baik bentuk berkualitas tinggi isoterm gas nyata.
Pada gambar. 1 ditunjukkan untuk isoterm teoretis CO 2: bagian berbentuk S dari isoterm ini bersesuaian keadaan metastabil secara termodinamika.
Pada gambar. Gambar 2 menunjukkan isoterm eksperimental untuk CO 2: bagian kurva berbentuk S diganti dengan bagian lurus; di sebelah kanan bagian ini kurvanya berhubungan dengan gas ( uap tak jenuh), di sebelah kiri - cairan, dan segmen lurus itu sendiri - keseimbangan uap dan cairan. Persamaan (15), di persetujuan penuh dengan pengalaman, menunjukkan bahwa dengan meningkatnya suhu dimensi segmen lurus pada isoterm menjadi semakin kecil (Gbr. 2) dan, akhirnya, pada suhu tertentu yang sama dengan suhu kritis, panjang segmen ini menjadi 0. Pada suhu yang lebih tinggi daripada suhu kritisnya, gas tidak dapat berubah menjadi cairan di bawah tekanan apa pun: cairan tersebut tidak ada lagi. Itu. Persamaan van der Waals mencakup dua keadaan - gas dan cair - dan menjadi dasar doktrin kontinuitas transisi antara kedua keadaan ini. Suhu kritis untuk beberapa gas adalah nilai-nilai berikut: +360°C untuk H2O, +31°C untuk CO2, –241°C untuk H2 dan –254°C untuk He.
Pencairan gas. Gas apa pun dapat diubah menjadi cairan dengan tekanan yang tepat, setelah didinginkan terlebih dahulu di bawah suhu kritis. Tekanan yang diperlukan untuk pencairan CO 2 (dalam Atm) pada suhu yang berbeda diberikan dalam tabel. 2.
Jelas bahwa tekanan-tekanan ini adalah tekanan uap jenuh karbon dioksida cair dan semakin rendah suhunya.
Untuk mendinginkan gas terlebih dahulu untuk pencairan, instalasi teknis menggunakan efek Joule-Thomson, yang terdiri dari fakta bahwa selama ekspansi adiabatik (misalnya, dengan penurunan tekanan tajam ketika gas mengalir keluar dari lubang), energi internal gas bertambah sebesar ΔU, dan T berubah sebesar ΔТ, dan secara termodinamika
Dalam kasus gas ideal, ΔU = 0 dan ΔТ = 0 [karena, menurut persamaan (1), T∙dv/dT – v = 0].
Untuk gas nyata ΔТ ≠ 0, yaitu terjadi pendinginan atau pemanasan, bergantung pada apakah T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,
(dengan perkiraan yang cukup). Itu. pada suhu yang cukup tinggi, semua gas memanas selama ekspansi adiabatik (ΔТ > 0, karena a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает titik inversi T i , ditentukan oleh kondisi
di bawahnya gas mulai mendingin selama ekspansi adiabatik (a/R∙T> b di 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.
Negara Bagian yang Sesuai. Temperatur kritis Tk, tekanan pk dan volume vk m.b. dinyatakan dalam konstanta van der Waals a, b dan R sebagai berikut:
Jika kita mengambil nilai-nilai kritis, masing-masing, sebagai satuan pengukuran untuk T, p dan v, maka alih-alih T, p dan v keadaan akan dicirikan oleh nilai-nilai yang diberikan:
Jika kita memasukkan θ, π dan ϕ ke dalam persamaan van der Waals (15), maka konstanta a, b dan R akan hilang, dan kita akan mendapatkan persamaan keadaan tereduksi, dengan koefisien numerik
tidak mengandung besaran yang bergantung pada sifat zat. Persamaan (19), bagaimanapun, mengasumsikan kebenaran persamaan van der Waals, dan oleh karena itu penyimpangan dari persamaan tersebut seringkali cukup signifikan, terutama dalam kasus zat terkait. Doktrin negara bagian yang bersesuaian (yang disebut negara bagian yang bersesuaian dengan θ, π dan ϕ yang sama) memungkinkan untuk menemukan jumlah yang besar ketergantungan universal mirip dengan persamaan (19).
Penerapan gas. Gas terkompresi dan cair digunakan dalam teknologi dimanapun sejumlah besar gas dibutuhkan dalam volume kecil; Jadi, CO 2 digunakan untuk mengkarbonasi air, Cl 2 dan fosgen - in urusan kimia militer, O 2 - untuk keperluan medis, udara terkompresi - untuk menghidupkan mesin pembakaran internal. Gas cair (CO 2 dan NH 3) sangat penting dalam pendinginan, dalam mesin pendingin (misalnya, untuk memperoleh es buatan). Gas ringan (H 2, gas penerangan, in Akhir-akhir ini Tidak) digunakan untuk mengisi balon. Gas inert (N 2 dan gas mulia, khususnya Ar) digunakan untuk mengisi lampu pijar setengah watt. Penggunaan gas untuk penerangan atau sebagai bahan bakar menonjol: penerangan, listrik, gas air dan lain-lain.
Selama lebih dari 30 tahun di Uni Soviet, kemudian di Rusia, gas cair dan terkompresi telah digunakan ekonomi Nasional. Selama ini sudah cukup banyak hal yang tercakup cara yang sulit tentang organisasi akuntansi gas cair, pengembangan teknologi untuk pemompaan, pengukuran, penyimpanan, transportasi.
Dari pembakaran hingga pengakuan
Secara historis, potensi gas sebagai sumber energi masih dianggap remeh di negara kita. Karena tidak melihat bidang penerapan yang dapat dibenarkan secara ekonomi, produsen minyak mencoba menghilangkan sebagian kecil hidrokarbon dan membakarnya dengan sia-sia. Pada tahun 1946, pemisahan industri gas menjadi industri mandiri merevolusi situasi. Volume produksi hidrokarbon jenis ini meningkat tajam, begitu pula rasio keseimbangan bahan bakar Rusia.
Ketika para ilmuwan dan insinyur belajar bagaimana mencairkan gas, menjadi mungkin untuk membangun perusahaan pencairan gas dan mengirimkan bahan bakar biru ke daerah-daerah terpencil yang tidak dilengkapi dengan pipa gas, dan menggunakannya di setiap rumah, sebagai bahan bakar mobil, dalam produksi, dan juga mengekspornya. untuk mata uang keras.
Apa itu gas minyak bumi cair
Mereka dibagi menjadi dua kelompok:
- Gas hidrokarbon cair (LPG) - adalah campuran senyawa kimia, terutama terdiri dari hidrogen dan karbon dengan struktur yang berbeda molekul, yaitu campuran hidrokarbon yang berbeda berat molekul dan struktur yang berbeda.
- Fraksi luas hidrokarbon ringan (NGL) - termasuk sebagian besar campuran hidrokarbon ringan fraksi heksana (C6) dan etana (C2). Komposisi khasnya: etana 2-5%, fraksi gas cair C4-C5 40-85%, fraksi heksana C6 15-30%, sisanya adalah fraksi pentana.
Gas cair: propana, butana
Dalam industri gas, LPG digunakan dalam skala industri. Komponen utamanya adalah propana dan butana. Mereka juga mengandung hidrokarbon yang lebih ringan (metana dan etana) dan hidrokarbon yang lebih berat (pentana) sebagai pengotor. Semua komponen ini adalah hidrokarbon jenuh. LPG mungkin juga termasuk hidrokarbon tak jenuh: etilen, propilena, butilena. Butana-butilena dapat hadir dalam bentuk senyawa isomer (isobutana dan isobutilena).
Teknologi pencairan
Mereka belajar mencairkan gas pada awal abad ke-20: pada tahun 1913, Hadiah Nobel dianugerahkan kepada orang Belanda K. O. Heike untuk pencairan helium. Beberapa gas diubah menjadi cair dengan pendinginan sederhana tanpa kondisi tambahan. Namun, sebagian besar gas “industri” hidrokarbon (karbon dioksida, etana, amonia, butana, propana) dicairkan di bawah tekanan.
Produksi gas cair dilakukan di pabrik pencairan gas yang terletak di dekat endapan hidrokarbon atau di sepanjang jalur pipa gas dekat pabrik pencairan gas besar. pusat transportasi. Gas alam cair (atau terkompresi) dapat dengan mudah disalurkan melalui jalan darat, kereta api atau dengan transportasi air ke konsumen akhir, di mana ia dapat disimpan, setelah itu diubah kembali menjadi gas dan disuplai ke jaringan pasokan gas.
Peralatan khusus
Untuk mencairkan gas, instalasi khusus digunakan. Mereka secara signifikan mengurangi volume bahan bakar biru dan meningkatkan kepadatan energi. Dengan bantuan mereka, Anda dapat melaksanakannya berbagai cara pemrosesan hidrokarbon tergantung pada aplikasi selanjutnya, sifat bahan baku dan kondisi lingkungan.
Pabrik pencairan dan kompresi dirancang untuk pemrosesan gas dan memiliki desain blok (modular) atau seluruhnya dalam wadah. Berkat stasiun regasifikasi, penyediaannya dapat dilakukan dengan murah bahan bakar alami bahkan daerah yang paling terpencil sekalipun. Sistem regasifikasi juga memungkinkan gas alam disimpan dan disuplai jumlah yang dibutuhkan tergantung pada permintaan (misalnya, selama periode konsumsi puncak).
Sebagian besar berbagai gas dalam keadaan cair dapat diterapkan secara praktis:
- Klorin cair digunakan untuk mendisinfeksi dan memutihkan kain serta digunakan sebagai senjata kimia.
- Oksigen - masuk institusi medis untuk pasien dengan masalah pernafasan.
- Nitrogen - dalam cryosurgery, untuk membekukan jaringan organik.
- Hidrogen itu seperti bahan bakar jet. Baru-baru ini, mobil bertenaga mesin hidrogen mulai bermunculan.
- Argon - dalam industri pemotongan logam dan pengelasan plasma.
Dimungkinkan juga untuk mencairkan gas hidrokarbon, yang paling populer adalah propana dan butana (n-butana, isobutana):
- Propana (C3H8) merupakan zat asal organik dari golongan alkana. Terima dari gas alam dan selama perengkahan produk minyak bumi. Gas tidak berwarna, tidak berbau, sedikit larut dalam air. Digunakan sebagai bahan bakar, untuk sintesis polipropilena, produksi pelarut, di Industri makanan(aditif E944).
- Butana (C4H10), kelas alkana. Gas tidak berwarna, tidak berbau, mudah terbakar, mudah dicairkan. Diperoleh dari gas kondensat, gas minyak bumi (hingga 12%), selama perengkahan produk minyak bumi. Digunakan sebagai bahan bakar di industri kimia, di lemari es sebagai zat pendingin, di industri makanan (aditif E943).
Karakteristik LPG
Keuntungan utama LPG adalah kemungkinan keberadaannya pada suhu sekitar dan tekanan sedang baik dalam bentuk cair maupun gas. Dalam keadaan cair mereka mudah diproses, disimpan dan diangkut; dalam keadaan gas mereka memilikinya karakterisasi terbaik pembakaran.
Keadaan sistem hidrokarbon ditentukan oleh serangkaian pengaruh berbagai faktor, oleh karena itu untuk karakteristik penuh Anda perlu mengetahui semua parameternya. Hal utama yang dapat diukur secara langsung dan mempengaruhi rezim aliran meliputi: tekanan, suhu, kepadatan, viskositas, konsentrasi komponen, hubungan fasa.
Sistem berada dalam keadaan setimbang jika semua parameternya tidak berubah. Dalam keadaan ini, tidak ada metamorfosis kualitatif dan kuantitatif yang terlihat terjadi dalam sistem. Mengubah satu parameter saja sudah melanggar keadaan setimbang sistem, menyebabkan satu atau proses lain.
Properti
Saat menyimpan gas cair dan mengangkutnya keadaan agregasi perubahan: sebagian zat menguap, berubah menjadi gas, sebagian mengembun - berubah menjadi cair. Sifat gas cair ini merupakan salah satu hal yang menentukan dalam desain sistem penyimpanan dan distribusi. Ketika cairan mendidih diambil dari reservoir dan diangkut melalui pipa, sebagian cairan menguap karena kehilangan tekanan, aliran dua fase terbentuk, tekanan uapnya tergantung pada suhu aliran, yang lebih rendah dari suhu di waduk. Jika pergerakan zat cair dua fasa melalui pipa terhenti, tekanan di semua titik menjadi sama dan menjadi sama dengan tekanan uap.
Gas apa pun dapat diubah menjadi cair dengan kompresi sederhana, asalkan suhunya di bawah suhu kritis. Oleh karena itu, pembagian zat menjadi cair dan gas sebagian besar terjadi secara sewenang-wenang. Zat-zat yang biasa kita anggap sebagai gas hanya mempunyai suhu kritis yang sangat rendah dan oleh karena itu tidak dapat berada dalam wujud cair pada suhu yang mendekati suhu kamar. Sebaliknya, zat yang kita klasifikasikan sebagai cairan memiliki suhu kritis yang tinggi.
Gas pertama (amonia) diubah menjadi cairan pada tahun 1799. Keberhasilan lebih lanjut dalam pencairan gas dikaitkan dengan nama fisikawan Inggris M. Faraday (1791-1867), yang mencairkan gas dengan mendinginkan dan mengompresinya secara bersamaan.
Pada paruh kedua abad ke-19. Dari semua gas yang diketahui pada saat itu, hanya enam yang belum berubah menjadi cair: hidrogen, oksigen, nitrogen, dinitrogen oksida, karbon monoksida, dan metana - disebut gas permanen. Pencairan gas-gas ini tertunda selama seperempat abad karena teknologi untuk menurunkan suhu kurang berkembang, dan gas-gas tersebut tidak dapat didinginkan di bawah suhu kritis. Ketika fisikawan belajar mendapatkan suhu sekitar 1 K, mereka berhasil mengubah semua gas, termasuk helium, tidak hanya menjadi cair, tetapi juga menjadi padat.
Pabrik pencairan gas
Ada banyak jenis mesin untuk menghasilkan gas cair, khususnya udara cair. Dalam instalasi industri modern, pendinginan yang signifikan dicapai dengan pemuaian gas dalam kondisi isolasi termal (ekspansi adiabatik).
Mesin seperti ini disebut ekspander. Gas yang mengembang bekerja dengan menggerakkan piston (piston expander) atau memutar turbin (turbine expander) menggunakan energi internalnya dan oleh karena itu didinginkan.
Turboexpander berperforma tinggi tekanan rendah dikembangkan oleh akademisi P.L. Kapitsa. Sejak tahun 50-an, semua instalasi pencairan udara besar di dunia telah beroperasi sesuai skema Kapitsa.
Kapitsa Petr Leonidovich (1894-1984) - terkenal Fisikawan Soviet; pemenang hadiah Penghargaan Nobel; murid E. Rutherford.
Kapitsa menemukan superfluiditas helium cair dan mengembangkan metode industri baru untuk mencairkan gas. Sangat penting memiliki karya Kapitsa dalam menciptakan medan magnet super kuat dan generator elektronik berdaya tinggi.
Gambar 6.14 menunjukkan diagram sederhana dari piston expander. Udara atmosfer memasuki kompresor 1, di mana ia dikompresi hingga tekanan beberapa puluh atmosfer. Udara yang dipanaskan selama kompresi didinginkan dalam penukar panas 2 dengan air mengalir dan masuk ke silinder expander 3. Di sini, sambil mengembang, ia bekerja dengan mendorong piston, dan didinginkan sedemikian rupa sehingga mengembun menjadi cairan. Udara cair memasuki bejana 4.
Udara
Titik didih udara cair sangat rendah. Pada tekanan atmosfer, suhunya -193 °C. Oleh karena itu, udara cair dalam bejana terbuka ketika tekanan uapnya sama tekanan atmosfir, mendidih. Karena benda-benda di sekitarnya jauh lebih hangat, aliran panas ke udara cair, jika disimpan dalam wadah biasa, akan sangat signifikan sehingga sangat jangka pendek semua udara cair akan menguap.
Penyimpanan gas cair
Beras. 6.15
Untuk menjaga udara dalam keadaan cair, pertukaran panasnya perlu dicegah dengan bantuan lingkungan. Untuk tujuan ini, udara cair (dan gas cair lainnya) ditempatkan dalam wadah khusus yang disebut labu Dewar. Labu Dewar dirancang dengan cara yang sama seperti termos biasa. Ia memiliki dinding kaca ganda, dari ruang di antaranya udara dipompa keluar (Gbr. 6.15). Hal ini mengurangi konduktivitas termal kapal. Dinding bagian dalam dibuat mengkilat (berwarna perak) untuk mengurangi pemanasan radiasi. Bejana dewar mempunyai leher yang sempit, apabila disimpan di dalamnya gas-gas cair dibiarkan terbuka sehingga gas yang terkandung di dalam bejana mempunyai kesempatan untuk menguap sedikit demi sedikit. Karena hilangnya panas melalui penguapan, gas cair tetap dingin sepanjang waktu. Dalam labu Dewar yang baik, udara cair dapat disimpan selama beberapa minggu.
Penerapan gas cair
Pencairan gas memiliki sifat teknis dan signifikansi ilmiah. Pencairan udara digunakan dalam teknologi untuk memisahkan udara menjadi bagian-bagian komponennya. Metode ini didasarkan pada fakta bahwa berbagai gas yang menyusun udara mendidih pada saat itu suhu yang berbeda. Helium, neon, nitrogen, dan argon memiliki titik didih terendah. Oksigen memiliki titik didih sedikit lebih tinggi dibandingkan argon. Oleh karena itu, helium, neon, nitrogen diuapkan terlebih dahulu, kemudian argon dan oksigen.
Gas cair ditemukan aplikasi yang luas dalam teknologi. Nitrogen digunakan untuk menghasilkan amonia dan garam nitrogen, Digunakan dalam pertanian untuk menyuburkan tanah. Argon, neon dan gas inert lainnya digunakan untuk pengisian lampu listrik lampu pijar, serta lampu gas. Oksigen memiliki kegunaan terbesar. Ketika dicampur dengan asetilena atau hidrogen, menghasilkan api bersuhu sangat tinggi yang digunakan untuk memotong dan mengelas logam. Injeksi oksigen (oxygen blast) mempercepat proses metalurgi. Oksigen yang dikirim dari apotek dalam bentuk bantal meringankan penderitaan pasien. Sangat penting untuk digunakan oksigen cair sebagai oksidator untuk mesin roket luar angkasa. Mesin kendaraan peluncuran yang mengangkat kosmonot pertama Yu.A. Gagarin ke luar angkasa menggunakan oksigen cair.
Hidrogen cair digunakan sebagai bahan bakar roket luar angkasa. Misalnya, pengisian bahan bakar roket Saturn 5 Amerika membutuhkan 90 ton hidrogen cair. Gas yang digunakan dalam industri, obat-obatan, dll. lebih mudah diangkut jika berada dalam keadaan cair, karena volume yang sama mengandung jumlah besar zat. Beginilah cara pengirimannya dalam silinder baja karbon dioksida cair ke pabrik air berkarbonasi.
Amonia cair banyak digunakan di lemari es - gudang besar tempat menyimpan makanan yang mudah rusak. Pendinginan yang terjadi selama penguapan gas cair digunakan dalam lemari es saat mengangkut produk yang mudah rusak.
Nilai pencairan gas untuk penelitian ilmiah
Transformasi semua gas menjadi cair sekali lagi menegaskan kesatuan struktur zat. Hal ini menunjukkan bahwa keadaan suatu zat bergantung pada suhu dan tekanannya, dan tidak ditentukan untuk selamanya pada suatu benda.
Di sisi lain, suhu rendah yang dicapai selama pencairan gas telah memperluas batas-batas penelitian ilmiah dan memungkinkan untuk mendeteksi perubahan banyak sifat zat pada suhu sangat rendah. Tubuh elastis terbuat dari karet menjadi rapuh seperti kaca pada suhu tersebut. Sepotong karet setelah didinginkan udara cair mudah patah, dan bola karetnya pecah saat terkena benturan. Merkuri dan seng menjadi mudah dibentuk pada suhu rendah, dan timbal, logam plastik, menjadi elastis, seperti baja. Lonceng yang terbuat dari cincin timah. Banyak zat (alkohol, kulit telur, dll.) menghasilkan radiasinya sendiri ketika disinari dengan cahaya putih warna yang berbeda(kebanyakan hijau-kuning).
Pada intensitas suhu rendah gerakan termal menurun tajam, sehingga dimungkinkan untuk mengamati sejumlah fenomena yang tersembunyi pada suhu yang lebih tinggi melalui pergerakan termal molekul.
Pada suhu mendekati nol mutlak, sangat berubah sifat listrik beberapa logam dan paduan: ketahanannya arus listrik menjadi sama dengan nol. Fenomena yang disebut superkonduktivitas ini ditemukan oleh G. Kamerlingh Onnes pada tahun 1911. Pada suhu 2,2 K, viskositas helium cair menghilang, yaitu memperoleh sifat superfluiditas. Superfluiditas ditemukan oleh P. JI. Kapitsa pada tahun 1938
Gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, helium hanya bisa berbentuk cair pada suhu yang sangat rendah. Pada suhu seperti itu mereka ditemukan properti khusus zat yang terselubung kondisi normal pergerakan termal molekul. Properti ini digunakan dalam sains dan teknologi.
Agar pencairan gas dapat terjadi, gaya tarik menarik antar molekul harus cukup untuk mengikatnya menjadi cairan. Gaya tarik menarik menjadi signifikan hanya pada jarak kecil antar molekul. Kondisi ini disukai tekanan tinggi. Aksi gaya tarik menarik dicegah oleh pergerakan molekul, yang terjadi semakin cepat (dengan energi kinetik lebih besar) semakin tinggi suhunya. Oleh karena itu, pencairan gas didorong oleh penurunan suhu.
Semakin tinggi suhunya, semakin sulit untuk mencairkan gas., karena dengan lebih banyak suhu tinggi tekanan yang lebih tinggi juga diperlukan untuk mencairkan gas (Tabel 3.4). Di atas suhu tertentu, gas tidak dapat dicairkan sama sekali. Suhu ini disebut kritis dan dilambangkan dengan Tc. Tekanan minimum yang diperlukan untuk mencairkan gas pada suhu kritisnya disebut tekanan kritis dan dilambangkan dengan pc. Volume yang ditempati oleh satu mol gas pada suhu dan tekanan kritis disebut volume kritis dan dilambangkan dengan Vc. Nilai Tc, pc dan Vc untuk setiap gas disebut konstanta kritisnya. Di meja Tabel 3.5 menunjukkan nilai konstanta kritis untuk beberapa gas.
Tabel 3.4. Tekanan yang diperlukan untuk mencairkan CO2 pada suhu yang berbeda
Pada tahun 1863, dengan mempelajari hubungan antara tekanan dan volume sejumlah massa karbon dioksida pada berbagai suhu, Thomas Andrews memperoleh serangkaian isoterm (grafik hubungan antara tekanan dan volume pada suhu konstan), yang disebut isoterm Andrews (Gbr. .3.11). Isoterm CO2 pada 321 K menunjukkan bahwa gas ini tidak mencair pada suhu ini pada tekanan atau volume berapa pun. Faktanya adalah suhu 321 K lebih tinggi dari suhu kritis CO2, yaitu sebesar 304 K. Isoterm yang sesuai dengan suhu kritis disebut isoterm kritis. Titik P pada isoterm ini berhubungan dengan gas pada nilai kritis suhu, tekanan dan volume. Dalam kondisi yang sesuai dengan titik ini, gas berada dalam kondisi kritis. Pada Gambar. Gambar 3.11 menunjukkan dua isoterm CO2 pada suhu di bawah kritis. Mari kita pertimbangkan suhu yang sesuai dengan 286 K.
Beras. 3.11. Isoterm Andrews untuk CO2.
Pergerakan sepanjang isoterm ini dari titik A ke titik B berhubungan dengan kompresi gas seiring dengan peningkatan tekanan. Antara titik B dan C terjadi perubahan besar volume yang tidak disertai perubahan tekanan. Proses ini berhubungan dengan pencairan gas pada suhu tertentu. Antara titik C dan D, peningkatan tekanan menyebabkan uang receh volume. Kompresibilitas zat cair sangat kecil dibandingkan dengan kompresibilitas gas.
Uap dan "gas permanen". Kira-kira sampai pertengahan abad ke-19 V. zat dalam wujud gas dibagi menjadi uap dan “gas permanen”. “Gas permanen” disebut, misalnya, gas seperti oksigen, nitrogen, hidrogen, yang tidak dapat diubah menjadi cair dengan meningkatkan tekanan.
Tebak tentang ketidakhadirannya perbedaan mendasar antara uap dan “gas permanen” dinyatakan kembali akhir XVII V. Lavoisier. Dia percaya bahwa pada suhu yang cukup rendah, udara atmosfer. Gas permanen pertama adalah amonia yang dicairkan dengan meningkatkan tekanan hingga . Pada tahun 1823, Michael Faraday berhasil mengubah gas klor menjadi cairan dengan cara mendinginkannya pada suhu tekanan darah tinggi. Pada tahun 1877, insinyur Perancis Calhetei dan fisikawan Swiss Pictet secara independen mencapai pencairan oksigen dengan meningkatkan tekanan hingga kira-kira dan mendinginkan hingga suhu di bawah -140 °C. Nitrogen dicairkan pada tahun yang sama. Pada tahun 1898 fisikawan Inggris Dewar mencapai pencairan hidrogen, dan pada tahun 1908 di Belanda, Kamerlingh Onnes mencairkan helium - gas terakhir yang belum pernah dapat diubah menjadi cair oleh siapa pun sebelumnya.
Jadi, ditemukan bahwa dari keadaan gas Zat apa pun dapat diubah menjadi cairan. Namun, setiap zat dapat mengalami transformasi seperti itu hanya pada suhu di bawah suhu tertentu, yang disebut suhu kritis Tc. Pada suhu di atas substansi kritis tidak berubah menjadi cair atau padat pada tekanan apa pun. Jelaslah bahwa pada suhu kritis, energi kinetik rata-rata gerak termal molekul suatu zat melebihi energi potensial pengikatannya dalam cairan atau padatan. Karena gaya tarik menarik yang bekerja antar molekul berbagai zat, berbeda, tidak setara dan energi potensial hubungannya, maka nilai suhu kritis untuk zat yang berbeda berbeda-beda.
Pencairan gas. Mari kita lihat prinsip dasar yang digunakan pada mesin pencairan gas. Kondisi pertama yang harus dipenuhi untuk mengubah gas menjadi cair adalah mendinginkannya hingga suhu di bawah suhu kritis. Pada suhu di bawah suhu kritis, gas apa pun dapat diubah menjadi cair dengan meningkatkan tekanan, sehingga pencairan gas dengan suhu kritis di atas 0 ° C tidak menimbulkan kesulitan mendasar. Lagi tugas yang menantang adalah pencairan gas yang suhu kritisnya jauh di bawah nol. Gas-gas tersebut adalah oksigen, nitrogen, hidrogen, helium, yang suhu kritisnya masing-masing adalah -118,4, -146,9, -240 dan -268 °C. Suhu rendah seperti itu tidak terjadi di Bumi dalam kondisi alamiah, sehingga masalah pencairan gas-gas tersebut ternyata erat kaitannya dengan masalah diperolehnya suhu rendah. Metode utama yang digunakan untuk mendinginkan gas adalah dengan memuainya untuk melakukan usaha.
Kulkas kompresi. DENGAN mesin paling sederhana, di mana gas dicairkan, dapat ditemukan dengan menggunakan contoh lemari es kompresi rumah (pelat warna I).
Fluida yang bekerja pada lemari es adalah gas freon. Sistem kondensor dan evaporator diisi dengan freon. Kompresor yang digerakkan oleh motor listrik memompa keluar gas freon dari evaporator dan memompakannya ke kondensor. Saat dikompresi, freon memanas. Mendinginkannya suhu kamar diproduksi di kondensor, biasanya terletak di dinding belakang lemari es. Didinginkan hingga suhu kamar dengan peningkatan tekanan yang dibuat di kondensor menggunakan kompresor, freon berubah menjadi cair. Dari freon cair kondensor melalui pembuluh kapiler memasuki evaporator. Dengan memompa uap freon dari evaporator menggunakan kompresor, tekanan di dalamnya tetap terjaga. Ketika tekanan di evaporator berkurang, freon cair mendidih dan menguap bahkan pada suhu di bawah 0 °C. Panas untuk penguapan freon diambil dari dinding evaporator sehingga menyebabkannya menjadi dingin. Uap freon yang dievakuasi masuk ke casing kompresor, dari sana lagi ke kondensor, dan seterusnya dalam siklus tertutup.
Yang paling suhu rendah, yang dapat diperoleh di dalam evaporator (freezer), ditentukan oleh nilai tekanan uap freon, karena titik didih freon, seperti cairan lainnya, menurun seiring dengan menurunnya tekanan. Pada kecepatan tetap Ketika freon cair masuk ke evaporator melalui pipa kapiler dari kondensor, maka tekanan uap freon di evaporator akan semakin rendah semakin lama kompresor beroperasi. Jika suhu di dalam evaporator tidak perlu diturunkan hingga nilai maksimum yang dapat dicapai, maka pengoperasian kompresor dihentikan secara berkala dengan mematikan motor listrik yang menggerakkannya. Kompresor dimatikan secara otomatis, memastikan lemari pendingin mempertahankan suhu yang disetel.
