GAZ. stare gazoasă numită stare a materiei în care forțele care acționează între molecule sunt extrem de mici și dimensiunile moleculelor în sine sunt neglijabile în comparație cu golurile dintre ele. Între ciocniri, moleculele de gaz se mișcă în linie dreaptă, uniform și complet aleatoriu. Când sunt încălzite și rarefiate, toate gazele tind spre starea limită a așa-zisului ideal, sau gaz perfect.

ÎN gaz ideal forțele intermoleculare sunt zero, iar volumul moleculelor în sine este infinitezimal în comparație cu volumul spațiului intermolecular. Stat gaz ideal este acea stare limitativă diluată a materiei, la care tind toate corpurile naturii la temperaturi suficient de ridicate și la presiuni suficient de scăzute; aceasta este semnificația specială a stării unui gaz ideal, care, în plus, este cel mai ușor de cercetat și, prin urmare, cel mai pe deplin studiat. O substanță care umple rarefacția extremă spațiu interplanetar, poate fi considerat a fi în stare de gaz ideal.

Presiunea gazului (p) este determinată de impactul moleculelor de gaz asupra pereților vasului. Conform teoria cinetică, in medie energie kinetică moleculele de gaz este proporţională cu temperatura absolută. În teoria cinetică, se arată că un gaz ideal se supune strict următoarea ecuație stare care leagă trei parametri de stare: v, T și p, dintre care doi sunt independenți, iar al treilea este funcția lor:

Această ecuație ( Ecuația lui Clapeyron) conține în formă explicită trei legi de bază ale stării unui gaz ideal:

1) Legea Boyle-Mariotte. La o temperatură constantă (T), produsul (p∙v) pt suma dată gazul ideal este o valoare constantă (p ∙ v \u003d Const), adică volumul unui gaz ideal (v) este invers proporțional cu presiunea sa (p): izotermele unui gaz ideal în sistemul de coordonate (v, p) sunt hiperbole isoscele, ale căror asimptote sunt coordonatele axelor.

2). La o constantă (p), volumul unei cantități date de gaz ideal crește liniar cu temperatura:

(v 0 - volum la temperatură \u003d 0 ° C, α - coeficientul de dilatare al unui gaz ideal). Modificarea (p) cu temperatura la v = Const respectă aceeași lege:

(α) în ecuația (3) - coeficientul de presiune, numeric egal cu coeficientul expansiuni (α) în ecuația (2) = 1/273,1 = 0,00367 - o valoare independentă de natura gazului și aceeași pentru toate gazele ideale; p 0 - presiune la temperatură \u003d 0 ° C. Introducerea temperaturii absolute în loc de temperatură

găsim în loc de ecuațiile (2) și (3):

3) Legea lui Avogadro. Ecuația (1) arată că constanta de gaz R \u003d p 0 ∙ v 0 /273,1 este proporțional cu volumul normal v 0 ocupat de o cantitate dată de gaz la conditii normale(p 0 \u003d 1 Atm și t 0 \u003d 0 ° C \u003d 273,1 ° K), adică este invers proporțional cu densitatea gazului în condiții normale D 0. Conform legii lui Avogadro, cu aceleași (p) și (T), toate gazele ideale conțin în volume egale(de exemplu, egal cu v 0) număr egal molecule. Viceversa: un număr egal de molecule (de exemplu, 1 mol \u003d moleculă de 1 gram) de orice gaz într-o stare ideală ocupă același volum v 0 în condiții normale, indiferent de natura gazului (1 mol de orice substanță conţine N 0 = 6.06∙10 23 de molecule individuale - numărul lui Avogadro). Am găsit cu mare precizie că volum molar normal orice gaz ideal (V 0) m este egal cu 22,412 litri/mol. De aici puteți calcula numărul de molecule din 1 cm 3 din orice gaz ideal în condiții normale: n0 \u003d 6,06 ∙ 10 23 / 10 3 ∙ 22,416 \u003d 2,705 ∙ 10 19 cm 3 (numărul Loshmit). Folosind ecuația (1), legea lui Avogadro este exprimată prin faptul că constanta gazului R atunci când este calculată pentru 1 mol de orice gaz va fi aceeași, indiferent de natura gazului. Acea. R este o constantă universală cu dimensiunea [ Loc de munca]/[greutate][temperatura] și exprimă munca de dilatare a 1 mol de gaz ideal atunci când este încălzit cu 1 ° C la p \u003d Const:

asta consta sens fizic R.

găsiți o valoare numerică

În alte unități, valorile R (pe 1 mol) sunt:

Pe lângă cele trei legi analizate, din ecuația (1) a stării unui gaz ideal în legătură cu cele două legi ale termodinamicii, urmează și următoarele legi de bază:

4) legea lui Joule. Una dintre ecuațiile generale ale termodinamicii

oferă, împreună cu ecuația (1), următoarele condiții pentru energie interna U gaz ideal:

adică, U al unui gaz ideal este o funcție numai a lui T (legea lui Joule); în expansiunea izotermă a unui gaz ideal, toată căldura absorbită este transformată în lucru extern, iar în compresie izotermă toată munca depusă este transformată în căldură.

5) Capacitatile termice ale unui gaz ideal la volum constant c v si la presiune constanta c p sunt numai functii ale lui T. Termodinamica da ecuatiile generale

dar pentru un gaz ideal (p) și (v) sunt dependente liniar de (T), conform legii Gay-Lussac (4) și (5); prin urmare, părțile drepte ale ecuațiilor (9) se transformă în 0 și

Capacitățile termice c p și c v nu sunt independente unele de altele, dar sunt legate pentru un gaz ideal printr-o condiție simplă:

care rezultă din legile gazelor(R are dimensiunea capacității termice), adică dacă c p și c v sunt legate de 1 mol de gaz ideal, atunci ele diferă cu 2 (mai precis, cu 1,986) - cal / mol ∙ deg.

În teoria cinetică, este acceptat, conform principiului distributie uniforma energie că pentru fiecare grad de libertate al unei molecule de gaz există o energie k 0 ∙T / 2, iar pentru 1 mol există

(k 0 \u003d -R / N 0 este constanta de gaz calculată pentru 1 moleculă - constanta lui Boltzmann ). Numărul de grade de libertate (i) este numărul prieten independent din altă specie energie mecanică posedat de o moleculă de gaz. Apoi energia a 1 mol

(aproximativ, presupunând R = 2, c v = i, c p = i + 2).

În studiul gazelor rol important joacă raportul c p /c v = γ; din ecuațiile (11) și (12):

În cel mai simplu caz gaz monoatomic(a cărui moleculă este formată din 1 atom, care sunt gazele nobile și vaporii multor metale) i este cel mai mic și este egal cu 3: întreaga energie a moleculei este redusă la energia sa cinetică mișcări de translație, care poate fi efectuată în trei direcții independente reciproc perpendiculare; Apoi

iar γ are cea mai mare valoare posibilă: γ = 5/3 = 1,667. Pentru gaze biatomice(H 2 , O 2 , N 2 , CO și altele) pot fi considerate I \u003d 3 + 2 (două rotații în jurul a două axe reciproc perpendiculare perpendiculare pe linia care leagă ambii atomi); atunci c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 și γ = 7/5 = 1,40. Pentru gaz triatomic(Н 2 O, СO 2, H 2 S, N 2 O) i = 3+3 (rotație în jurul a trei axe reciproc perpendiculare) și c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 și γ = 4/ 3 = 1,33.

Cu o complicație suplimentară a structurii moleculei, adică cu o creștere a i, cv și c p cresc și γ = 1 + 2/i și tinde la 1. Tabel. 1 arată că tot ceea ce s-a spus este în acord cu datele experimentale, că γ este întotdeauna >1 și ≤1,667 și nu poate fi = 1,50 (pentru i = 4).

Pentru gazele monoatomice, c v și c p, în conformitate cu teorie, practic nu se schimbă cu temperatura (de exemplu, pentru Ar, valorile lui c v și c p se află în intervalul de la 2,98 la 3,00 între temperaturi = 0 ° și 1000 °C). Modificările c v și c p cu temperatura sunt explicate în teoria cuantică. Cu toate acestea, capacitățile termice ale gazelor care sunt aproape de ideale nu se modifică practic în intervale largi de temperatură. De obicei, p și y sunt determinate experimental și cv este calculat din aceste date.

gaze reale. Toate gazele care există efectiv sunt gaze reale b. sau m. se abate de la legile gazelor ideale, dar cu cât este mai puțin, cu atât temperatura este mai mare și presiunea este mai mică. Acea. legile gazelor ideale sunt limitative pentru gazele reale. La temperaturi obișnuite, abaterea este cea mai mică pentru gazele ale căror temperaturi critice sunt extrem de scăzute (așa-numitele gaze constante: He, H 2 , N 2 , O 2 , aer); pentru gazele cu o temperatură critică relativ ridicată și pentru vapori (un gaz la o temperatură sub temperatura critică se numește abur), abaterile sunt foarte semnificative. Motivele abaterilor gazelor reale de la legile gazelor sunt că: 1) în ele acţionează forţe intermoleculare; prin urmare, moleculele de suprafață sunt atrase în gaze de forțe, a căror rezultată, calculată pe unitate de suprafață și direcționată perpendicular pe aceasta, se numește presiune moleculară (internă) K; 2) nu întregul volum de gaz (v), ci doar o parte din acesta (v-b) oferă libertate pentru mișcările moleculelor; parte a volumului (b), covolum, ca și cum ar fi ocupat de moleculele înseși. Dacă gazul ar fi ideal, presiunea lui ar fi mai mare decât cea observată (p) cu valoarea lui K; deci ecuația de stare gaz real va fi scris în formular

In aceea ecuație generală K și b pot depinde de T și v.

Van der Waals a arătat că, în cel mai simplu caz, K \u003d a / v 2 și b este o valoare constantă egală cu de patru ori volumul moleculelor de gaz în sine. Astfel, ecuația van der Waals are forma:

a și b, constantele van der Waals, după cum arată experiența, depind încă de T și v și, prin urmare, ecuația (15) este doar o primă aproximare; transmite bine formă de calitate izoterme ale gazelor reale.

în fig. 1 sunt prezentate pentru izotermele teoretice CO 2: părțile în formă de S ale acestor izoterme corespund cu stări metastabile termodinamic.

în fig. Figura 2 prezintă izotermele experimentale pentru CO 2 : părțile în formă de S ale curbelor sunt înlocuite cu părți drepte; în dreapta acestor părți, curbele corespund gazului ( abur nesaturat), în stânga - lichide, iar segmentele drepte în sine - până la echilibrul vaporilor și lichidului. Ecuația (15), în în deplin acord cu experienta, arata ca odata cu cresterea temperaturii, dimensiunile segmentelor drepte de pe izoterme devin mai mici (Fig. 2) si, in final, la o anumita temperatura egala cu temperatura critica, lungimea acestui segment devine 0. La o temperatura mai mare decât temperatura critică, gazul nu se poate transforma în lichid sub nicio presiune: lichidul încetează să mai existe. Acea. ecuația van der Waals acoperă două stări – gazoasă și lichidă – și servește drept bază pentru doctrina continuității tranziției dintre aceste două stări. Temperaturile critice pentru unele gaze sunt următoarele valori: +360°C pentru H2O, +31°C pentru CO2, -241°C pentru H2 şi -254°C pentru He.

Lichefierea gazelor. Orice gaz poate fi transformat într-un lichid la presiunea corespunzătoare, după ce l-a răcit anterior sub temperatura critică. Presiunile necesare pentru a lichefia CO 2 (în Atm) la temperaturi diferite sunt date în tabel. 2.

Este clar că aceste presiuni sunt presiuni abur saturat dioxid de carbon lichid și cu cât este mai scăzută, cu atât temperatura este mai scăzută.

Pentru a pre-răci gazul pentru lichefiere, în instalațiile tehnice folosesc efectul Joule-Thomson, care constă în faptul că în timpul expansiunii adiabatice (de exemplu, cu o scădere bruscă a presiunii atunci când gazul iese din gaură) , energia internă a gazului crește cu ΔU, iar T se modifică cu ΔT și termodinamic

În cazul gazelor ideale, ΔU = 0 și ΔT = 0 [deoarece, conform ecuației (1), T∙dv/dT – v = 0].

Pentru gaze reale, ΔТ ≠ 0, adică are loc răcirea sau încălzirea, în funcție de dacă T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(cu suficientă aproximare). Acea. la temperaturi suficient de ridicate, toate gazele se încălzesc în timpul expansiunii adiabatice (ΔТ > 0, deoarece a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает punct de inversareТ i determinat de condiție

sub care gazele încep să se răcească în timpul expansiunii adiabatice (a/R∙T> b la 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.

Stări relevante. Temperatura critică T to, presiunea p to și volumul v la m. b. exprimată în termenii constantelor van der Waals a, b și R după cum urmează:

Dacă luăm valori critice pentru unitățile de măsură T, p și, respectiv, v, atunci în loc de T, p și v, starea va fi caracterizată prin valori date:

Dacă introducem θ, π și ϕ în ecuația van der Waals (15), atunci constantele a, b și R se anulează și obținem ecuația de stare redusă, cu coeficienți numerici

care nu conţine cantităţi care depind de natura substanţei. Ecuația (19) presupune, totuși, că ecuația van der Waals este corectă și, prin urmare, abaterile de la ea sunt adesea destul de semnificative, mai ales în cazul substanțelor asociate. Doctrina stărilor corespunzătoare (așa-numitele stări corespunzătoare acelorași θ, π și ϕ) face posibilă găsirea număr mare dependențe universale similare cu ecuația (19).

Aplicarea gazelor. Gazele comprimate și lichefiate sunt utilizate în tehnologie oriunde sunt necesare cantități mari de gaz într-un volum mic; deci, CO 2 este folosit pentru carbonatarea apelor, Cl 2 și fosgen - in afaceri chimice militare, O 2 - în scopuri medicale, aer comprimat - pentru pornirea motoarelor combustie interna. Gazele lichefiate (CO 2 și NH 3) au o importanță deosebită în refrigerare, în mașinile frigorifice (de exemplu, pentru a obține gheata artificiala). Gaze ușoare (H 2, gaz de iluminat, in În ultima vreme Not) sunt folosite pentru umplerea baloanelor. Gazele inerte (N 2 și gazele nobile, în special Ar) sunt utilizate pentru umplerea lămpilor cu incandescență de jumătate de wați. De remarcat este utilizarea gazului pentru iluminat sau ca combustibil: iluminat, energie electrică, gaze de apă și altele.

De mai bine de 30 de ani în URSS, apoi în Rusia, gazele lichefiate și comprimate au fost utilizate în economie nationala. În acest timp a trecut destul calea cea grea privind organizarea contabilității gaze lichefiate, dezvoltarea tehnologiilor pentru pomparea, măsurarea, depozitarea, transportul acestora.

De la incinerare la recunoaștere

Din punct de vedere istoric, potențialul gazului ca sursă de energie a fost subestimat în țara noastră. Nevăzând domenii de aplicare justificate din punct de vedere economic, producătorii de petrol au încercat să scape de fracțiunile ușoare de hidrocarburi, le-au ars fără rezultat. În 1946, separarea industriei gazelor în industrie independentă a revoluționat situația. Volumul producției acestui tip de hidrocarburi a crescut brusc, precum și raportul în balanța combustibilului din Rusia.

Când oamenii de știință și inginerii au învățat cum să lichefieze gazele, a devenit posibil să construiască întreprinderi de lichefiere a gazelor și să livreze combustibil albastru în zone îndepărtate care nu sunt echipate cu o conductă de gaz și să-l folosească în fiecare casă, ca combustibil pentru automobile, în producție și de asemenea, exportați-l pentru valută.

Ce sunt gazele de hidrocarburi lichefiate

Ele sunt împărțite în două grupe:

1. Gazele de hidrocarburi lichefiate (LHG) - sunt un amestec compuși chimici, constând în principal din hidrogen și carbon cu structură diferită molecule, adică un amestec de hidrocarburi de diferite greutate molecularăși diverse structuri.
2. Fracțiuni largi de hidrocarburi ușoare (NGL) - include în majoritatea cazurilor amestecuri de hidrocarburi ușoare ale fracțiilor hexan (C6) și etan (C2). Compoziția lor tipică: etan 2-5%, fracții de gaz lichefiat C4-C5 40-85%, fracția de hexan C6 15-30%, fracția pentanică reprezintă restul.

Gaz lichefiat: propan, butan

În industria gazelor naturale, GPL este utilizat la scară industrială. Componentele lor principale sunt propanul și butanul. De asemenea, conțin hidrocarburi mai ușoare (metan și etan) și altele mai grele (pentan) ca impurități. Toate componentele enumerate sunt hidrocarburi saturate. Compoziția SUG poate include, de asemenea hidrocarburi nesaturate: etilenă, propilenă, butilenă. Butan-butilene pot fi prezente ca compuși izomeri (izobutan și izobutilenă).

Tehnologii de lichefiere

Au învățat să lichefieze gazele la începutul secolului al XX-lea: în 1913, Premiul Nobel a fost acordat olandezului K. O. Heike pentru lichefierea heliului. Unele gaze sunt aduse în stare lichidă prin simplă răcire fără conditii suplimentare. Cu toate acestea, majoritatea gazelor „industriale” de hidrocarburi (dioxid de carbon, etan, amoniac, butan, propan) sunt lichefiate sub presiune.

Producția de gaz lichefiat se realizează la instalațiile de lichefiere a gazelor situate fie în apropierea zăcămintelor de hidrocarburi, fie pe drumul conductelor principale de gaze în apropierea marilor noduri de transport. Gazul natural lichefiat (sau comprimat) poate fi livrat cu ușurință pe drum, pe calea ferată sau transport pe apă la consumatorul final, unde poate fi stocat, apoi transformat din nou în stare gazoasă și alimentat în rețeaua de alimentare cu gaz.

Echipament special

Pentru lichefierea gazelor se folosesc instalatii speciale. Acestea reduc semnificativ cantitatea de combustibil albastru și cresc densitatea de energie. Cu ajutorul lor, este posibil să diferite căi prelucrarea hidrocarburilor, în funcție de aplicarea ulterioară, de proprietățile materiei prime și de condițiile de mediu.

Instalațiile de lichefiere și comprimare sunt proiectate pentru tratarea gazelor și sunt construite în bloc (modulare) sau complet containerizate. Datorită stațiilor de regazificare, devine posibilă furnizarea ieftină combustibil natural chiar și cele mai îndepărtate regiuni. Sistemul de regazificare vă permite, de asemenea, să stocați și să furnizați gaze naturale suma necesară in functie de necesitate (de exemplu, in perioadele de consum maxim).

Cele mai multe dintre diferitele gaze în stare lichefiată găsesc aplicații practice:

• Clorul lichid este folosit pentru dezinfectarea și înălbirea țesăturilor și este folosit ca armă chimică.
• Oxigen - in institutii medicale pentru pacienții cu probleme de respirație.
• Azot - în criochirurgie, pentru înghețarea țesuturilor organice.
• Hidrogenul este ca combustibilul pentru avioane. Recent, au apărut vehicule alimentate cu hidrogen.
• Argon - în industrie pentru tăierea metalelor și sudarea cu plasmă.

De asemenea, puteți lichefia gazele din clasa hidrocarburilor, dintre care cele mai populare sunt propanul și butanul (n-butan, izobutan):

• Propanul (C3H8) este o substanță de origine organică din clasa alcanilor. Ia de la gaz naturalși în cracarea produselor petroliere. Gaz incolor, inodor, ușor solubil în apă. Sunt folosite ca combustibil, pentru sinteza polipropilenei, producerea solvenților, în Industria alimentară(aditiv E944).
• Butan (C4H10), o clasă de alcani. Gaz combustibil incolor, inodor, ușor de lichefiat. Se obține din condensat de gaz, gaz petrolier (până la 12%), în timpul cracării produselor petroliere. Folosit ca combustibil industria chimica, în frigidere ca agent frigorific, în industria alimentară (aditiv E943).

Caracteristicile GPL

Principalul avantaj al GPL este posibilitatea existenței lor la temperatura ambiantă și la presiuni moderate atât în ​​stare lichidă, cât și gazoasă. În stare lichidă, sunt ușor de prelucrat, depozitat și transportat, în stare gazoasă pe care o au cea mai buna performanta combustie.

Starea sistemelor de hidrocarburi este determinată de o combinație de influențe diverși factori, prin urmare caracteristici complete trebuie să cunoști toți parametrii. Principalele care pot fi măsurate direct și afectează regimurile de curgere sunt: ​​presiunea, temperatura, densitatea, vâscozitatea, concentrația componentelor, raportul de fază.

Sistemul este în echilibru dacă toți parametrii rămân neschimbați. Într-o astfel de stare, nu există metamorfoze calitative și cantitative vizibile în sistem. Modificarea a cel puțin unui parametru încalcă stare de echilibru sistem prin invocarea unui anumit proces.

Proprietăți

La depozitarea gazelor lichefiate și transportul acestora starea de agregare modificări: o parte din substanță se evaporă, transformându-se în stare gazoasă, o parte se condensează - se transformă într-un lichid. Această proprietate a gazelor lichefiate este unul dintre factorii determinanți în proiectarea sistemelor de stocare și distribuție. Când un lichid în fierbere este preluat din rezervoare și transportat printr-o conductă, o parte din lichid se evaporă din cauza pierderilor de presiune, se formează un flux în două faze, a cărui presiune a vaporilor depinde de temperatura de tur, care este mai mică decât temperatura din tancul. În cazul în care mișcarea unui lichid în două faze prin conductă se oprește, presiunea în toate punctele se egalizează și devine egală cu presiunea vaporilor.

Orice gaz poate fi transformat în lichid prin simpla comprimare, atâta timp cât temperatura acestuia este sub cea critică. Prin urmare, împărțirea substanțelor în lichide și gaze este în mare măsură arbitrară. Acele substanțe pe care suntem obișnuiți să le considerăm gaze pur și simplu au temperaturi critice foarte scăzute și, prin urmare, nu pot fi în stare lichidă la o temperatură apropiată de temperatura camerei. Dimpotrivă, pentru substanțele pe care le clasificăm drept lichide, temperaturile critice sunt ridicate.
Primul gaz (amoniac) a fost transformat în lichid deja în 1799. Reușitele ulterioare în lichefierea gazelor sunt asociate cu numele fizicianului englez M. Faraday (1791-1867), care a lichefiat gazele prin răcirea și comprimarea simultană a acestora.
Până în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. dintre toate gazele cunoscute la acea vreme, doar șase au rămas netransformate în lichid: hidrogen, oxigen, azot, oxid de azot, monoxid de carbon și metan - au fost numite gaze permanente. Întârzierea lichefierii acestor gaze timp de încă un sfert de secol s-a datorat faptului că tehnica de scădere a temperaturii era slab dezvoltată, iar acestea nu puteau fi răcite la o temperatură sub cea critică. Când fizicienii au învățat să obțină temperaturi de ordinul a 1 K, au reușit să transforme toate gazele, inclusiv heliul, nu numai într-un lichid, ci și într-o stare solidă.
Instalații de lichefiere a gazelor
Există multe tipuri de mașini pentru producerea gazelor lichide, în special a aerului lichid. În instalațiile industriale moderne, răcirea semnificativă se realizează prin extinderea gazului în condiții de izolare termică (expansiune adiabatică).
Astfel de mașini se numesc expansoare (expanders). Gazul în expansiune funcționează prin mișcarea unui piston (expansoare pentru piston) sau prin rotirea unei turbine (expansoare pentru turbină), datorită energiei sale interne și, prin urmare, se răcește.
Turbo Expanders de înaltă performanță presiune scăzută au fost dezvoltate de academicianul P. L. Kapitsa. Din anii 1950, toate fabricile mari de lichefiere a aerului din lume funcționează conform schemei Kapitza.
Kapitsa Petr Leonidovici (1894-1984) - celebru fizician sovietic; laureat Premiul Nobel; elev al lui E. Rutherford.
Kapitsa a descoperit superfluiditatea heliului lichid și a dezvoltat noi metode industriale de lichefiere a gazelor. Mare importanță au munca lui Kapitsa privind crearea de câmpuri magnetice superputernice și generatoare electronice de mare putere.
Figura 6.14 prezintă o diagramă simplificată a unui expandator cu piston. Aerul atmosferic intră în compresorul 1, unde este comprimat la o presiune de câteva zeci de atmosfere. Aerul încălzit în timpul compresiei este răcit în schimbătorul de căldură 2 prin apă curentă și intră în cilindrul expansor 3. Aici, expansându-se, funcționează, împingând pistonul și se răcește atât de mult încât se condensează într-un lichid. Aerul lichefiat intră în vasul 4.
Aer

Punctul de fierbere al aerului lichid este foarte scăzut. La presiunea atmosferică, este de -193 ° C. Prin urmare, aerul lichid într-un vas deschis, atunci când presiunea sa de vapori este presiune atmosferică, furuncule. Deoarece corpurile înconjurătoare sunt mult mai calde, afluxul de căldură în aerul lichid, dacă ar fi stocat în vase obișnuite, ar fi atât de semnificativ încât pentru foarte Pe termen scurt tot aerul lichid s-ar evapora.
Depozitarea gazelor lichide

Orez. 6.15
Pentru a menține aerul în stare lichidă, este necesar să se prevină schimbul de căldură cu mediu inconjurator. În acest scop, aerul lichid (și alte gaze lichide) sunt plasate în vase speciale numite Dewars. Vasul Dewar este aranjat în același mod ca un termos obișnuit. Are pereți dubli de sticlă, din spațiul dintre care este pompat aerul (Fig. 6.15). Acest lucru reduce conductivitatea termică a vasului. Peretele interior este făcut lucios (placat cu argint) pentru a reduce încălzirea prin radiații. Vasele Dewar au gâtul îngust; atunci când se depozitează gaze lichefiate în ele, acestea sunt lăsate deschise, astfel încât gazul conținut în vas să se poată evapora treptat. Datorită consumului de căldură pentru evaporare, gazul lichefiat rămâne rece tot timpul. Într-un Dewar bun, aerul lichid este stocat timp de câteva săptămâni.
Aplicarea gazelor lichefiate
Lichefierea gazelor are o tehnică şi semnificație științifică. Lichefierea aerului este folosită în inginerie pentru a separa aerul în părțile sale componente. Metoda se bazează pe faptul că diferitele gaze care alcătuiesc aerul fierb la diverse temperaturi. Heliul, neonul, azotul și argonul au cele mai scăzute puncte de fierbere. Oxigenul are un punct de fierbere puțin mai mare decât argonul. Prin urmare, heliul, neonul, azotul se evaporă mai întâi, iar apoi argonul, oxigenul.
Se găsesc gaze lichefiate aplicare largăîn tehnologie. Azotul este folosit pentru a produce amoniac și săruri de azot folosit in agricultură pentru a fertiliza solul. Argonul, neonul și alte gaze inerte sunt folosite pentru umplere lămpi electrice lămpi cu incandescență și cu gaz. Oxigenul este cel mai utilizat. Amestecat cu acetilenă sau hidrogen, produce o flacără la temperatură foarte ridicată folosită pentru tăierea și sudarea metalelor. Injectarea de oxigen (explozia de oxigen) accelerează procesele metalurgice. Oxigenul livrat din farmacii în perne ameliorează suferința pacienților. De o importanță deosebită este utilizarea oxigen lichid ca agent oxidant pentru motoarele de rachete spațiale. Motoarele rachetei purtătoare care l-a ridicat pe primul cosmonaut Yu. A. Gagarin în spațiu funcționau cu oxigen lichid.
Hidrogenul lichid este folosit ca combustibil în rachete spațiale. De exemplu, este nevoie de 90 de tone pentru a alimenta racheta americană Saturn-5. hidrogen lichid. Gazele folosite în industrie, medicină etc., sunt mai ușor de transportat atunci când sunt în stare lichefiată, deoarece același volum conține cantitate mare substante. Deci livrat în cilindri de oțel dioxid de carbon lichid la plantele cu apă carbogazoasă.
Amoniacul lichid și-a găsit o aplicare largă în frigidere - depozite uriașe în care sunt depozitate produse perisabile. Răcirea care are loc în timpul evaporării gazelor lichefiate este utilizată în frigidere la transportul produselor perisabile.
Valoarea lichefierii gazelor pentru cercetare științifică
Transformarea tuturor gazelor în stare lichidă a confirmat încă o dată unitatea în structura substanțelor. A arătat că starea materiei depinde de temperatura și presiunea acesteia și nu este determinată o dată pentru totdeauna pentru un anumit corp.
Pe de altă parte, temperaturile scăzute atinse de gazele de lichefiere au depășit pe scară largă granițele cercetării științifice și au făcut posibilă detectarea modificărilor multor proprietăți ale substanțelor la temperaturi ultrascăzute. Corpuri elastice realizate din cauciuc devin la fel de casante ca sticla la aceste temperaturi. O bucată de cauciuc după răcire aer lichid se rupe ușor și o minge de cauciuc se sparge la impact. Mercurul și zincul devin maleabile la temperaturi scăzute, iar plumbul, un metal plastic, devine elastic ca oțelul. Un clopot făcut din inele de plumb. Foarte multe substanțe (alcool, coji de ouă etc.) după ce au fost iluminate cu lumină albă își creează propria radiație diverse culori(mai ales verde-galben).
La temperaturi scăzute, intensitatea mișcarea termică scade brusc, astfel încât devine posibil să se observe o serie de fenomene ascunse la temperaturi mai ridicate de mișcarea termică a moleculelor.
La temperaturi apropiate de zero absolut, se schimbă foarte mult proprietăți electrice unele metale şi aliaje: rezistenţa lor curent electric devine zero. Acest fenomen, numit supraconductivitate, a fost descoperit de G. Kamerling-Onnes în 1911. La o temperatură de 2,2 K, vâscozitatea dispare în heliul lichid, adică capătă proprietatea de superfluiditate. Superfluiditatea a fost descoperită de P. JI. Kapitsa în 1938
Gazele precum azotul, oxigenul, hidrogenul, heliul pot fi în stare lichidă doar la temperaturi foarte scăzute. La aceste temperaturi, există proprietăți speciale substante mascate in conditii normale mișcarea termică a moleculelor. Aceste proprietăți își găsesc aplicație atât în ​​știință, cât și în tehnologie.

Pentru ca un gaz să se lichefieze, forțele atractive dintre molecule trebuie să devină suficiente pentru a le lega într-un lichid. Forțele atractive devin semnificative doar la distanțe mici dintre molecule. Această condiție este favorizată presiune ridicata. Acțiunea forțelor de atracție este împiedicată de mișcarea moleculelor, care are loc cu cât mai rapid (cu energie cinetică mai mare) cu atât temperatura este mai mare. Prin urmare, lichefierea gazelor este favorizată prin scăderea temperaturii.

Lichefierea unui gaz este cu atât mai dificilă, cu atât temperatura acestuia este mai mare., pentru că la mai mult temperatura ridicata de asemenea, este necesară o presiune mai mare pentru a lichefia gazul (Tabelul 3.4). Peste o anumită temperatură, gazul nu poate fi deloc lichefiat. Această temperatură se numește critică și se notează cu Tc. Presiunea minimă necesară pentru a lichefia un gaz la temperatura sa critică se numește presiune critică și se notează pc. Volumul ocupat de un mol de gaz la temperatura și presiunea sa critică se numește volum critic și se notează Vc. Valorile lui Tc, pc și Vc pentru fiecare gaz se numesc constantele sale critice. În tabel. 3.5 arată valorile constantelor critice pentru unele gaze.

Tabelul 3.4. Presiunile necesare pentru a lichefia CO2 la diferite temperaturi

În 1863, studiind relația dintre presiune și volum a unei mase date de dioxid de carbon la diferite temperaturi, Thomas Andrews a obținut o serie de izoterme (grafice ale relației dintre presiune și volum la o temperatură constantă), numite izoterme Andrews (Fig. 3.11). ). Izoterma pentru CO2 la 321 K arată că acest gaz la această temperatură nu se lichefiază la nicio presiune sau volum. Cert este că temperatura de 321 K este mai mare decât temperatura critică pentru CO2, care este de 304 K. Izoterma corespunzătoare temperaturii critice se numește izotermă critică. Punctul P de pe această izotermă corespunde unui gaz la valorile sale critice de temperatură, presiune și volum. În condițiile corespunzătoare acestui punct, gazul se află în starea sa critică. Pe fig. 3.11 prezintă două izoterme CO2 la temperaturi subcritice. Luați în considerare cea care corespunde unei temperaturi de 286 K.

Orez. 3.11. Izoterme Andrews pentru CO2.

Deplasarea de-a lungul acestei izoterme de la punctul A la punctul B corespunde comprimării gazului odată cu creșterea presiunii. Între punctele B și C schimbare mare volum care nu este însoțit de o modificare a presiunii. Acest proces corespunde lichefierii unui gaz la o temperatură specificată. Între punctele C și D, o creștere a presiunii duce la mica schimbare volum. Compresibilitatea lichidelor este foarte mică în comparație cu compresibilitatea gazelor.

Vapori și „gaze permanente”. Până la aproximativ mijlocul al XIX-lea V. substanțele în stare gazoasă au fost împărțite în vapori și „gaze permanente”. „Gazele permanente” au fost numite, de exemplu, gaze precum oxigenul, azotul, hidrogenul, care nu puteau fi transformate în stare lichidă prin creșterea presiunii.

Ghici despre absență diferenta fundamentalaîntre vapori şi „gaze permanente” exprimate în sfârşitul XVII-lea V. Lavoisier. El credea că la o temperatură suficient de scăzută și se va transforma într-un lichid. aerul atmosferic. Primul dintre gazele permanente a fost amoniacul lichefiat cu o creștere a presiunii la. În 1823, Michael Faraday a reușit să transforme clorul gazos într-un lichid prin răcirea acestuia la tensiune arterială crescută. În 1877, inginerul francez Caletei și fizicianul elvețian Pictet au realizat în mod independent lichefierea oxigenului prin creșterea presiunii până la aproximativ și răcirea la o temperatură sub -140 °C. În același an, azotul a fost lichefiat. În 1898 fizician englez Dewar a realizat lichefierea hidrogenului, iar în 1908, în Olanda, Kamerling-Onnes a lichefiat heliul, ultimul gaz pe care nimeni înaintea lui nu reușise să-l transforme într-un lichid.

Astfel, s-a constatat că stare gazoasă Orice substanță poate fi transformată în lichid. Cu toate acestea, fiecare substanță poate experimenta o astfel de transformare numai la temperaturi sub o anumită, așa-numita temperatură critică Tk. La temperaturi peste substanță critică nu se lichefiază sau solid la orice presiune. Evident, la o temperatură critică, energia cinetică medie a mișcării termice a moleculelor unei substanțe depășește energia potențială a legării lor într-un lichid sau solid. Deoarece forţele de atracţie care acţionează între molecule diverse substanțe, diferit, diferit și energie potențială conexiunile lor, prin urmare și valorile temperaturii critice pentru diferite substanțe se dovedesc a fi diferite.

Lichefierea gazelor. Luați în considerare principiile de bază utilizate la mașinile pentru lichefierea gazelor. Prima condiție care trebuie îndeplinită pentru transformarea unui gaz într-un lichid este răcirea acestuia la o temperatură sub cea critică. La o temperatură sub cea critică, orice gaz poate fi transferat în stare lichidă prin creșterea presiunii, deci lichefierea gazelor cu o temperatură critică peste 0 °C nu prezintă o dificultate fundamentală. Mai mult sarcina dificila este lichefierea gazelor a căror temperatură critică este mult sub zero. Astfel de gaze sunt oxigenul, azotul, hidrogenul, heliul, ale căror temperaturi critice sunt, respectiv, -118,4, -146,9, -240 și respectiv -268 °C. Astfel de temperaturi scăzute nu apar în mod natural pe Pământ, așa că problema lichefierii acestor gaze este strâns legată de problema obținerii unor temperaturi scăzute. Metoda principală folosită pentru răcirea unui gaz este extinderea acestuia cu munca efectuată.

Frigider cu compresie. CU cea mai simplă mașină, în care gazul este lichefiat, poate fi găsit pe exemplul unui frigider cu compresie de uz casnic (inserție colorată I).

Lichidul de lucru din frigider este gaz freon. Sistemul de condensator și evaporator este umplut cu freon. Compresorul, acționat de un motor electric, pompează freonul gazos din evaporator și îl pompează în condensator. Freonul se încălzește când este comprimat. Răcirea lui temperatura camerei produs într-un condensator, situat de obicei pe peretele din spate al frigiderului. Răcit la temperatura camerei la presiune ridicată creată în condensator folosind un compresor, freonul intră în stare lichidă. Din freonul lichid al condensatorului prin tub capilar intră în evaporator. Prin pomparea vaporilor de freon din evaporator cu ajutorul unui compresor, se menține o presiune redusă în acesta. La presiune redusă în evaporator, freonul lichid fierbe și se evaporă chiar și la temperaturi sub 0 ° C. Căldura pentru evaporarea freonului este preluată de pe pereții evaporatorului, făcându-i să se răcească. Vaporii de freon pompați intră în carcasa compresorului, de acolo din nou la condensator etc. într-un ciclu închis.

Cel mai temperatura scazuta, care se poate obține în evaporator (congelator), este determinată de valoarea presiunii vaporilor de freon, deoarece punctul de fierbere a freonului, ca orice alt lichid, scade odată cu scăderea presiunii. La viteza constanta fluxul de freon lichid în evaporator prin tubul capilar din condensator, presiunea vaporilor de freon în evaporator va fi cu atât mai mică, cu cât compresorul funcționează mai mult. Dacă nu este nevoie să se realizeze o scădere a temperaturii în evaporator până la valoarea maximă realizabilă, atunci funcționarea compresorului este oprită periodic prin oprirea motorului electric care îl antrenează. Compresorul este oprit de o mașină automată care monitorizează menținerea temperaturii setate în frigider.