Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Современная система управления кадрами организации претерпевает радикальные преобразования вместе со всем российским обществом. Необходимость таких п...полностью>>
'Программа'
История изобразительного искусства древнего мира - первый этап всеобщей истории изобразительного искусства, когда, во-первых, закладывались основы эт...полностью>>
'Документ'
Организация взаимодействия и согласование совместно проводимых мероприятий с администрациями органов местного самоуправления по подготовке и проведен...полностью>>

Низкие температуры, пути достижения. История и современность

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Низкие температуры, пути достижения. История и современность.

Одним из интереснейших отделов физики является тот, который трактует о сжижении газов, и, прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с задачей сжижения воздуха, мы не можем обойти молчанием те многочисленные работы, которые закончились только в последнее время полным господством науки над жидким и газообразным состоянием тел.

В области сжижения газов теоретические выводы значительно опередили их практическое осуществление. Физики наблюдали, как обычные жидкости, под влиянием тепла, превращаются в пары, столь же подвижные и легкие, как и газы; под влиянием охлаждения эти пары легко возвращались в свое исходное состояние превращаясь в жидкость. Перед учеными вставал вопрос: не являются ли также и газы естественные или получаемые химическим путем парами жидкостей, но жидкостей особенных, несравненно более летучих, чем обычные, и которые кипят при очень низких температурах.

Не эти ли мысли занимали знаменитого Свифта, когда он сочинял следующий отрывок своего “Путешествия Гулливера” (3-я часть, Путешествие в Лапута, гл. V—Описание академий в Лагадо) “Под началом великого ученого находилось 50 рабочих. Одни сгущали воздух, делая его осязаемым, извлекая из него азот и давая испаряться текучим и водянистым частицам и. т. д.” Ведь это полная картина производства жидкого воздуха, кислорода и азота - и все это в 1726 году!

После Свифта понятие о способностях газов сжижаться уясняют приводимые ниже пророческие слова Лавуазье. В то время, когда даже легко сжижаемые газы не могли быть приведены в жидкое состояние, знаменитый химик решился сказать: “Если бы земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна,— вода, которая ныне образует наши реки и моря и, вероятно, значительное большинство из известных нам жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы. В этом случае воздух или, по крайней мере, часть газов, его составляющих, изменили бы свое состояние, превратившись в жидкость из невидимого газа, который существует благодаря нахождению в среде с достаточно высокой температурой, при этом переходе воздуха из одного состояния в друг образовались бы новые, доселе даже не предугадываемые, жидкости”.

Таким образом, начиная с Лавуазье, утверждается мнение, что три состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное представляют собой последовательный ряд, при чем каждое из состояний находится в зависимости от температуры окружающей среды.

Современная наука подтвердила для всех тел, по крайней мере, не разлагающихся при нагревании, полную закономерность и общность этого заключения.

Антуа́н Лора́н Лавуазье́

Без каких-либо других предисловий, перейдем теперь к изучению вопроса о сжижении газов, предварительно вспомнив все те законы, которым подчиняется как испарение жидкостей, так и сгущение их паров.

Упругость паров жидкостей. Пары насыщенные и ненасыщенные.

На рисунке изображена барометрическая трубка, заполненная ртутью и погруженная своим открытым концом в сосуд со ртутью же. При этом в пространстве Е образуется пустота; известно, что по высоте ртутного столба АВ (приблизительно 760 мм) определяется атмосферное давление. Введем в барометрическую трубку при помощи загнутой пипетки несколько капель какой-нибудь жидкости: воды, спирта и т. д. Эта жидкость, достигнув свободной поверхности ртути, испарится в пустом пространстве Е, и мы увидим, что уровень ртути, под влиянием образовавшихся паров, понизится от первоначального уровня В до нового уровня С. Высота BС определяет силу упругости или давление образовавшихся паров при тех условиях, при которых производится опыт. При производстве этого опыта возможны 2 варианта:

1) В трубку вводится жидкость в избыточном количестве; в этом случае испарится только часть этой жидкости. В барометрическом пространстве Е будет содержаться то максимальное количество паров, которое оно может вместить, т. е. пар будет, как принято называть, “насыщенным”. Понижение уровня ртути в этом случае будет максимальным и инте­ресно отметить, что это понижение при дан­ной температуре является величиной строго определенной и постоянной, независимо от количества излишка жидкости, введенного в трубку. Можно сказать, что упругость на­сыщенного пара при определенной темпера­туре является постоянной физической вели­чиной и характеризует жидкость в такой же степени, как ее характеризуют плотность или точка кипения.

2) Введенная в трубку жидкость испа­ряется полностью, следовательно, количество ее оказалось недостаточным для образования того количества пара, которое может вме­ститься в трубку. В данном случае степень понижения уровня ртути не будет предста­влять собой определенной величины, как это было в первом случае, и будет зависеть от количества введенной жидкости. И совер­шенно ясно, что если было введено незна­чительное количество жидкости, то и пони­жение уровня ртути будет незначительным. Таким образом, давление ненасыщенного пара не представляет собою определенной вели­чины и может изменяться в зависимости от количества введенной жидкости в пределах от нуля до максимума при чем максимум, понятно, соответствует упругости насыщенного пара, и поэтому такое давление часто называют максимальным , и оно является истинной силой упругости пара при определенной температуре. В дальнейшем эту силу напряжения упругости мы будим называть упругостью пара. К сущности понятия ненасыщенного пара мы должны отнестись с должным вниманием, ибо, как впоследствии узнаем, газы представляют собою явление того же порядка, т. е. являются ненасыщенными парами.

Изменения упругости паров различных жидкостей в зависимости от свойств последних и их температуры.

Упругость паров различных жидкостей при равной температуре тем больше, чем более летучи эти жидкости. Так, например, упругость паров воды при 20е равна 17,4 мм, т.е., иначе говоря, при 20°C уровень столбика ртути (в барометрической трубке) понижается при введении в трубку воды на 17,4 мм; упругость паров обыкновенного спирта при той же температуре равна 44 мм, паров древесного спирта—95 мм и паров эфира - 442 мм; последовательность этих цифр одновременно показывает нам и порядок летучести этих жидкостей. С другой стороны, упругость паров одной и той же жидкости быстро возрастает при увеличении температуры. Попробуем постепенно подогревать нашу барометрическую трубку: под влиянием все увеличивающегося испарения жидкости, пары которой поднимаются над ртутью, уровень последней будет понижаться с возрастающей скоростью и упругость водяных паров при 30° будет равна 31,5 мм, при 50°C - 92 мм и при 75°C - 288,5 мм. Продолжая повышение температуры, мы увидим, что понижение уровня ртути еще ускорится, и в определенный момент, под влиянием насыщенного пара жидкости (которая находится в трубке все время в избыточном количестве), уровень ртути, находящейся в барометрической трубке, дойдет до уровня ртути в сосуде А. Очевидно, в этот момент упругость паров будет точно уравновешивать атмосферное давление и будет, следовательно, равна 760 мм. Если в этот момент измерим температуру, то увидим, что она равна 100°C, т. е. температуре кипения воды при атмосферном давлении. Это чрезвычайно интересное явление мы формулируем следующим образом: Температура кипения жидкости при атмосферном давлении является, вместе с тем и той температурой, при которой упругость паров этой жидкости равна одной атмосфере. Все законы природы имеют свой глубокий смысл, но нам так редко представляется возможность их разгадывать, что каждый такой случай следует отмечать. Здесь мы имеем этот случай. Как очень хорошо известно, только тогда начинают образовываться в жидкости; пузыри, наблюдаемые обыкновенно при кипении, когда пары получают возможность своей упругостью уравновешивать атмосферное давление, действующее на жидкость.

До того момента, пока упругость паров не достигнет этой вели­чины, не могут образовываться пузырьки пара, и мы наблюдаем только медленное поверхностное испарение, но не кипение.

Теплота испарения.

Рассмотрим явления, происходящие при нагревании жидкости в открытом сосуде. Известно, что температура этой жидкости будет беспрерывно подниматься до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения, после чего повышение температуры сразу приостано­вится, как бы ни был силен источник нагревания. Изменение физиче­ского состояния жидкости, с одной стороны, и, с другой стороны, громадное увеличение ее объема, происходящее во время парообра­зования с преодолеванием противодействия атмосферного давления, требуют затраты значительной энергии, которая получается за счет значительного поглощения тепла. Некоторое отдаленное представле­ние о количестве тепла, затрачиваемого при парообразовании, дает нам то ощущение холода, которое испытывает на себе всякий, вы­ходя из ванны, когда происходит медленное испарение воды, остав­шейся на теле.

До того момента, пока нагреваемая нами жидкость не закипела, слабое поверхностное испарение вызывает соответственно слабое поглощение тепла, и почти все тепло, выделяемое источником нагре­вания, расходуется на постепенное нагревание жидкости. С того же момента, когда началось кипение, поглощение тепла для образования паров становится громадным, и все тепло нагревателя, независимо от его мощности, уходит на процесс парообразования.

Количество тепла, необходимое для превращения в пар одной весовой единицы кипящей жидкости, называется теплотой испарения. По Реньо для воды при 100°C она равна 537 калорий на 1 т. Количество, поистине, колоссальное!

А ведь эта цифра обозначает, что вода, уже нагретая до 100°, без дальнейшего повышения температуры при переходе из жидкости в газ той же температуры, поглощает количество тепла почти в 5,5 раз - большее, чем то, которое было поглощено водой для перехода от тем­пературы таяния льда к температуре кипения. В этом отношении, как и во многих других, вода представляет собою особенную жидкость; это видно из нижеследующей таблицы, в которой указаны температуры кипения и теплоты испарения различных жидкостей.

Наименование жидкостей

Температура

кипения

Теплота испарения в калор./кг

Эфир

35°С

90

Уксусная кислота

120°С

102

Спирт

78,5°С

208

Метиловый спирт

66,5°С

264

Вода

100°С

537

Необходимость холода для существования сжиженных газов при атмосферном давлении.

Заметим, что в открытом сосуде невоз­можно нагреть жидкость выше ее точки кипения, так как усилением нагревания мы можем вызвать только более бурное кипение, но не превысить температуру кипения. Другими словами, ни одна химически чистая жидкость не может в нормальных условиях существовать под давлением атмосферы при температуре, превышающей точку кипения данной жидкости. Если правильны заключения физиков, рассматривающих газы, как пары чрезвычайно летучих жидкостей, то эти газы уже при очень низких температурах обладают необходимой для кипения упругостью, равной одной атмосфере, и вследствие этого эти жидкости могут существовать под давлением атмосферы только при очень низких температурах. Таким образом, мы постигаем сущность той роли холода для сжижения газов, которую предсказал Лавуазье, В том, насколько велико значение холода, мы убедимся далее, когда увидим, что во всех случаях, единственное обстоятельство, достаточное само по себе для достижения сжижения во всех случаях, это действие холода: ни один газ, даже гелий, не сможет противостоять достаточному холоду. Нет никакого сомнения, что физики, занимавшиеся этой интересной проблемой, очень приблизились бы к решению ее, если бы приняли это положение. Правда, получение очень низких температур могло бы им показаться одним из наибольших затруднений в физике. Но увеличив свои усилия - а поставленная проблема достойна этого - нет никакого сомне­ния, что, вследствие большого прогресса физики, они открыли бы те удивительно простые способы, которые служат нам сейчас, для полу­чения глубокого холода.

Влияние давления на температуру кипения.

а) Уменьшение давления. Мы только что видели, что при нагре­вании какой-либо жидкости под давлением атмосферы, кипение начи­нается в тот момент, когда постепенно увеличивающаяся упругость паров достигает величины, уравновешивающей атмосферное давление. Уменьшим действующее на жидкость давление, поместив ее в закрытый сосуд, из которого частично выкачан воздух; ясно, что более низкая упругость пара при низшей температуре сможет преодо­леть существующее уменьшенное давление и тем самым вызвать кипение: температура кипения при этих условиях окажется ниже нормальной, и чем совершеннее пустота в сосуде, заключающем нашу жидкость, тем температура кипения соответственно ниже.

Сама природа в некоторых случаях подтверждает правильность изложенного. На вершинах гор, например, мы имеем давление ниже атмосферного, при чем понижение давления равно давлению столба воздуха от подошвы горы до ее вершины. При восхождении Соссюра на Монблан, знаменитого альпиниста поразило то обстоятельство, что на обледенелой вершине альпийского колосса, он с большим трудом мог сварить в кипящей воде яйца вкрутую, настолько была там понижена температура кипения воды.

Вот другой, еще более разительный пример!

При действии воздушного насоса, постепенно увеличивающего разрежение в сосуде с водой, температура кипения воды может упасть ниже точки замерзания: при таких условиях яйца вкрутую становятся в действительности мифом! А ведь для хорошего воздушного насоса не представляет особой трудности поддерживать над жидкостью, заключенной в закрытый сосуд, давление в 1 - 2 лиг, и так как при 0° упругость паров воды равна 4,6 мм, то, очевидно, вода при этой температуре и при указанном давлении должна закипеть, так как упругость паров воды в этих условиях значительно превосходит давле­ние, существующее в сосуде.

Холодильные машины, построенные на принципе испарения. Из сказанного очевидно, что испарение, происходящее в описанных условиях может служит источником очень значительного охла­ждения .

Если, например, соединить сосуд, наполненный водой, с вакуум-насосом достаточной мощности и заставить последний работать, то по истечении некоторого времени вода бурно закипит, так как насту­пит момент, когда при той температуре, при которой находится вода, упругость ее паров превысит то уменьшенное давление, которое поддерживается действием насоса. Так как в данном случае теплота, поглощаемая испарением и уходящая вместе с парами, доставляется не каким-либо посторонним источником, а заимствуется из самой жидкости, то последняя довольно быстро охлаждается; ввиду того, что давление поддерживается беспрерывно действующим насосом ниже упругости пара, несмотря на уменьшение. последней по мере понижения температуры жидкости, то кипение будет продолжаться, охлаждение .усиливаться, и благодаря этому в определенный момент жидкость превратится в твердое тело.

Этот красивый опыт послужил основанием при конструировании ледоделательных машин. Так, например, в ледоделательной машине Карре в основание положен принцип поглощения паров воды серной кислотой (жадность, с которой вода соединяется с серной кислотой - общеизвестна). Тот же принцип заложен в исключительной машине, настоящего борца за здравый смысл, знаменитого инженера Леблана, в которой выполнение работы по замораживанию воды было возложено на струю пара. Эта струя пара, посредством инжектора Жиффара создавала разрежение воздуха и великолепно действовала в моделях, построенных фирмой Вестингауз, экономично замораживая десятки центнеров в час!

Таким образом, мы видим, что если при помощи воздушного насоса поддерживать определенное разрежение над жидкостью, последняя быстро доходит до температуры, при которой упругость пара приблизительно равна пониженному давлению, поддерживаемому воздушным насосом, и, пока упругость пара превышает давление, жидкость кипит и при этом продолжает охлаждаться. Если же жидкость очень летуча, т. е. если пары ее до самых низких температур имеют достаточную упругость, то эти низкие температуры могут быть получены путем простого испарения такой жидкости в вакууме.

Так, например, серный эфир, упругость паров которого при -40°С еще превышает 5 мм, может быть охлажден ниже этой температуры, путем простого испарения под давлением в 5 мм. Но вместо того, чтобы получать в сильно разреженной атмосфере очень низкую температуру путем испарения очень летучей жидкости, часто имеет смысл получать не столь уж низкую температуру, пользуясь для этого и не слишком сильным разрежением. Возьмем для примера тот же серный эфир, упругость паров которого при -10°С равна 111 мм; эта довольно низкая температура может быть легко достигнута испарением жидкости при сравнительно незначительном разрежении, которое без особого труда создадут воздушные насосы значи­тельно менее мощные и менее сложные, чем те, которые понадобились бы для воды. Можно легко себе представить, что для разрежения пара до давления, например, 2 мм ртутного столба нужно будет затратить значительную работу, и для получения положительных результатов потребуются насосы огромных объемов. Испарение летучих жидкостей сделалось в настоящее время наиболее распространенным способом, применяемым для получения холода и этот принцип используется в очень широких масштабах в практике холодильного дела в тысячах машин: как например, в маши­нах с хлористым метилом, сернистым ангидридом, аммиачных, углекислотных и.т.д.

б) Действие повышения давления. Мы уже видели, что с умень­шением давления, под которым находится жидкость, понижается температура ее кипения. Наоборот, будем увеличивать давление: мы увидим, что для того, чтобы сообщит парам этой жидкости упругость, преодолевающую это давление, нам придется нагреть жидкость выше той температуры, чем это понадобилось бы при нормальных условиях. И чем больше будет давление, тем выше будет температура кипения.

Вот почему в паровых котлах вода при давлении в 15 атмосфер закипает только при 199°.Очевидно, с небольшими познаниями некоторых законов при­роды можно расплавлять в воде не только олово, но и свинец!

Заметим, что повышенное давление, которое следует прило­жить к нагреваемой жидкости, для повышения ее температуры кипения, образует сама жидкость, если только последняя заключена в закрытом сосуде. Очевидно, что в этом случае над поверхностью жидкости автоматически устанавливается давление, равное в каждый данный момент упругости скопляющихся над жидкостью паров. Следует заметить, что при этих условиях, которые аналогичны тем, которые существуют в паровом котле при разведении паров, кипе­ние воды не может начаться до тех пор, пока не выпустят часть пара. Упругость пара в данном случае соответствует испытанному жидкостью давлению, и последнее, вследствие этого, не может быть преодолено. Пока тепло, доставляемое топкой, не удаляется с расходуемым паром, оно почти полностью уходит на нагревание жидкости; при этом температура подымается довольно быстро, а одновременно с темпера­турой жидкости возрастает упругость ее паров, а вследствие этого и давление. И только тогда, когда давление: уже значительно повышено, выпуская часть пара и понижая тем самым давление, создают вследствие этого условия, при которых упругость пара несколько превышает да­вление, что дает возможность начаться кипению. Тогда давление пе­рестает повышаться, так как тепло, доставляемое топкой, расходуется вместе с уходящим паром. Ниже помещенная таблица, составленная Regnault, показывает те громадные колебания температуры кипения воды, которые находятся в зависимости от давления. Собственно говоря, при соста­влении этой таблицы преследовалась цель указать упругость паров воды при соответствующих температурах; но мы знаем уже, что эти величины (упругость пара и температура кипения) связаны между собою, и что кипение начинается в тот момент, когда разность между испытываемым жидкостью давлением и упругостью ее паров стано­вится бесконечно малой.

Темпера­тура

Упругость пара в атмо­сферах

Темпера­тура

Упругость пара в атмо­сферах

Температура

Упругость пара в атмо­сферах

80°

0,47

130°

2,67

180°

9,93

90°

0,69

140°

3,58

190°

12,2

100°

1,00

150°

4,71

200°

15,38

110°

1,41

160°

6,12

365°

200,50

120°

1.96

170°

7,84



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Современные направления развития физической культуры, спорта и туризма

    Документ
    Редакционная коллегия: Е. А. Шуняева, канд пед наук, доцент (отв. ред.); Е. Е. Елаева, канд. мед. наук, доцен; Е. А. Якимова, канд. биол. наук, доцент
  2. История земли и жизни на ней

    Документ
    1-а (дополнительная). Несколько слов о методологии науки. Принцип актуализма, «Бритва Оккама» и презумпции. Проверка теории: верификации и фальсификации.
  3. Йог Рамачарака "Пути достижения индийских йогов"

    Документ
    Мы полагаем, что нам нет надобности повторять объяснения, составившие существенную часть книги «Основы миросозерцания индийских йогов», и что мы можем прямо приступить к нашему предмету, надеясь, что читатели уже достаточно подготовлены,
  4. Современные знания — в жизнь

    Документ
    Редакционный совет: Мищенко В.А. (председатель), Зиновьев Ю.И., Агеева Л.А., Ахвердова Е.И., Олейник Е.Ю., Коновалов И.М., Мартынов В.Ф., Виланский Ю.
  5. К истории вопроса. Современное состояние проблемы

    Документ
    Впервые нервную анорексию описал R. Morton в 1689 г. под названием «нервная чахотка», хотя упоминание об этой патологии встречалось и раньше. В частности, в трудах Авиценны от 1155 г.

Другие похожие документы..