Получение жидких газов

Одним из главнейших достижений экспериментальной физики является получение жидких газов путём снижения температуры до минус 170–200 градусов, а затем и ниже — почти до абсолютного нуля (−273,15° C).

Это открыло перед химиками и физиками новые возможности, поскольку вещества, охлаждённые до таких температур, приобретали новые, необычные свойства.

Если постепенно снижать температуру какого-либо вещества, оно будет постепенно переходить в другое агрегатное состояние: из газа — в жидкость, из жидкости — становиться твёрдым, или наоборот, если мы будем нагревать его.

Как утверждает раздел науки, называющийся «кинетическая теория», молекулы вещества колеблются с очень высокой частотой и постоянно сталкиваются друг с другом. Это связано с температурой — чем она выше, тем быстрее движутся молекулы, и наоборот.

При нагревании воды мы передаём часть энергии её молекулам в виде тепла. Если источник тепла обладает достаточной интенсивностью, молекулы воды начинают колебаться так быстро, что преодолевают взаимное притяжение и улетают в виде пара. После охлаждения пар снова переходит в жидкое состояние — молекулы отдали лишнюю энергию и снова начали колебаться с прежней скоростью. Если мы продолжим охлаждение, молекулы будут колебаться ещё медленнее, и вода перейдёт в твёрдое состояние — превратится в лёд.

Чтобы превратить газ в жидкость — охладите его

С помощью вакуумного насоса можно настолько ускорить испарение жидкого газа, что внешние стенки пробирки покроются слоем твёрдого воздуха

В свете этих знаний становится ясно, что нужно сделать, чтобы превратить газ в жидкость — сильно охладить его.

Если диоксид серы (сернистый газ, получаемый при сжигании серы) охладить всего до −10° C, он превратится в жидкость. Если прекратить искусственное поддержание низкой температуры, диоксид серы начнёт быстро испаряться и вернётся в газообразное состояние (при условии, что он не находится под давлением, которое препятствует испарению).

Для этого ему требуется тепло, чтобы молекулы начали колебаться быстрее. Откуда берётся это тепло?

Оно будет отобрано из окружающей среды, причём так быстро, что контактирующие с жидким газом предметы будут заморожены.

Жидкий диоксид серы хранится в прочных стальных баллонах под большим давлением. Если резко открыть вентиль баллона, газ испаряется так быстро, что вокруг выпускного отверстия образуется слой снега, представляющего собой углекислый газ, вымороженный из воздуха.

Дьюар получил жидкий водород и жидкий гелий иным методом — не быстрым испарением, а позволяя сильно сжатым газам быстро расширяться. То, что газы при этом сильно охлаждаются, ранее открыл лорд Кельвин, а промышленное получением сжиженных газов этим способом разработали независимо друг от друга немец Линде и англичанин Хэмпсон.

Как расширение охлаждает газ

Если позволить сжатому газу расширяться, выпуская его через маленькое отверстие, температура такого газа сильно упадёт.

Линде и Хэмпсон усовершенствовали этот процесс до такой степени, что не только получили температуры более низкие, чем позволял испарительный процесс, но и добились ожижения газов, ранее ему не поддававшихся.

Аппарат для получения жидкого воздуха устроен следующим образом:

Через змеевик (см. рисунок) пропускается сжатый воздух, который выходит через маленькое отверстие на конце. Газ сжимается компрессором до 200 атмосфер. Сжатый воздух покидает компрессор через клапан N и отдаёт тепло, вызванное сжатием, воде, циркулирующей в холодильнике. Затем газ проходит через тонкий змеевик, вложенный внутрь змеевика бóльшего диаметра. Когда воздух проходит через расширительный клапан H в теплоизолированную камеру E, его температура резко падает. Охлаждённый газ забирается тем же компрессором через больший змеевик, снижая температуру движущегося ему навстречу по малому змеевику воздуха. Постепенно воздух, циркулирующий в системе, охлаждается настолько, что переходит в жидкое состояние и сливается через кран J.

Устройство аппарата для ожижения воздуха по способу Линде

Воздух, изначально имеющий комнатную температуру, превращается аппаратом такого типа в жидкость примерно за шесть минут.

Но жидкий водород получить таким способом не получится — при обычной температуре этот газ, расширяясь, нагревается, вместо того, чтобы охлаждаться. Для получения жидкого водорода и гелия их предварительно охлаждают жидкой углекислотой и жидким воздухом.

Газы, выглядящие, как вода

То, что сжиженные газы нельзя держать в обычной посуде легко понять, если учесть, как быстро они отбирают тепло из окружающей среды и контактирующих с ними предметов.

Жидкий воздух налитый в обычную стеклянную колбу начнёт быстро выкипать и сосуд может лопнуть из-за сжатия стекла, вызванного сильным охлаждением (жидкий воздух имеет точку кипения самого высококипящего из своих компонентов — азота, примерно −195° C).

Для того, чтобы изолировать жидкие газы от тепла окружающей среды, используют сосуды Дьюара. Дьюар, зная, что вакуум является совершенным теплоизолятором, использовал для хранения газов стеклянные колбы с двойными стенками, из пространства между которыми был откачан воздух.

Так же устроены колбы термосов, но их внутренние стенки посеребрены, а Дьюар использовал для формирования зеркала на стенках сосуда пары ртути, которые при наливании жидкого газа в колбу конденсировались на стенках. Зеркальный слой на стенках колбы отражает тепловое излучение, не давая её внешним стенкам нагреваться.



Соляная кислота

Соляная кислота

Соляная кислота — одна из основных минеральных кислот, находящая широкое применение в химическом производстве и в медицине. Применение соляной кислоты в медицине В медицине при заболеваниях желудка, сопровождающихся пониженной кислотностью...

Что означают надписи на ярлыке

Что означают надписи на ярлыке

Вы ищете лучший продукт для ухода за кожей? Тогда, возможно, совершая покупки вы полагаетесь на заявления вроде «не содержит отдушек» или «гипоаллергенный», напечатанные на этикетках. Однако, несмотря на широкое употребление...

Знаете ли вы ответы на эти вопросы?

Знаете ли вы ответы на эти вопросы?

1. Где находятся самые густые леса на планете? 2. Какая гора имеет высоту более 11 километров? 3. Где у домов есть только три стены?

Почему у нас есть иммунитет к некоторым заболеваниям

Почему у нас есть иммунитет к некоторым заболеваниям

Несколько лет назад у четырёх человек, вернувшихся из командировки в соседний город, развились симптомы жестокой кишечной инфекции. Источник инфекции был обнаружен — им оказалась питьевая вода, которую они пили во...

Что делать при похмелье?

Что делать при похмелье?

А поутру они проснулись... Во рту такое ощущение, как будто за ночь на языке выросло меховое пальто, малейший звук производит впечатление, что Black Sabbath вновь объединились и устроили в честь...

Сульфаниламиды и антибиотики — первые чудо-лекарства

Сульфаниламиды и антибиотики — первые чудо-лекарства

Удивлены, откуда берутся все эти новомодные «чудо-лекарства»? Уследить за новостями в области фармакологии сложнее, чем за современной модой. Ещё недавно новый препарат описывался в новостях и рекламе как вершина достижений...