Газ. Идеальный газ

Введение

Газы- агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газа существенно зависит от давления и температуры.

Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если температура газа ниже критической.Те вещества, которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критические температуры, то есть температуры, после достижения которых, газ приобретает свойства жидкости, и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могут находиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами к жидкостям, критические температуры велики.

Меня заинтересовал вопрос о том, какие свойства имеет сжиженный газ, в каких сферах он применяется ? Тема работы актуальна на сегодняшний день, так как сжиженные газы востребованы во многих областях медицины, науки и техники. В связи с этим я и поставил перед собой следующие цели и задачи:

Цель: -рассмотрение природы явления и свойств сжиженных газов

Задачи :

* Изучить материал об сжиженных газах

* Определить свойства сжиженных газов

ñ История

Опытный факт охлаждения вещества при испарении был известен издавна и даже практически использовался (например, применение пористых сосудов для сохранения свежести воды). Но первое научное исследование этого вопроса предпринял Джан Франческо Чинья и описал в работе 1760 г. «De frigore ex evaporationе» («О холоде вследствие испарения»).

Проблема сжижения газов имеет вековую историю, берущую свое начало во второй половине XVIII столетия. Началось все с сжижения аммиака простым охлаждением, которое произвел ван Марум, серного ангидрида - Монж и Клуэ, хлора - Нортмор (1805 г.) и сжижения аммиака компрессионным методом, предложенным Баччелли (1812 г.).

Определяющий вклад в решение этой проблемы одновременно и независимо внесли Шарль Каньяр де Латур (1777-1859) и Майкл Фарадей (1791-1867).

Что такое сжиженный газ и его свойства

Сжижение газов - это обращение газов в жидкое состояние. Может быть произведено сжатием газа (повышением давления) и одновременным его охлаждением.

Всякий газ может быть переведён в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже «критической». Углекислый газ, например, можно сжижать при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1 0 С. То же, можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор.

Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние. К таким газам относятся воздух, водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведён в жидкое состояние.

Использование сжиженных газов

Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идёт для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он даёт пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутьё) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород действует как обезболивающее. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет.

Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн – 5» требуется 90т жидкого водорода.

Жидкий аммиак нашёл широкое применение в холодильниках – огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.

Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объёме заключается большее количество вещества.

Трубка Фарадея

Английский физик - экспериментатор , химик .

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя . Среди других его открытий- первый трансформатор , химическое действие тока, законы электролиза , действие магнитного поля на свет . Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод , анод , электролит , диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм др.

Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл .

В то время, Фарадей был только скромным лаборантом у Гемфри Дэви.

Гемфри Дэви - английский химик, физик и геолог, один из основателей электрохимии . Известен открытием многих химических элементов, а также покровительством Фарадею на начальном этапе его научной деятельности.

По его поручению он изучал хлоргидрат, кристаллическое соединение, образующееся при взаимодействии при низких температурах воды и хлора. Чтобы проверить, как ведет себя это соединение при нагреве, Фарадей поместил несколько кристаллов гидрата хлора в закрытое колено изогнутой V -образной трубки, после чего другое колено запаял. Далее он нагрел кристаллы, при этом свободное колено оставалось холодным. Кристаллы расплавились и дали зеленовато-желтые пары, пары сконденсировались в холодном колене с образованием маслянистой жидкости, которая оказалась жидким хлором.

1) изогнутая и запаянная трубка

2) вещество или смесь, которые выделяет при нагревании необходимый газ

3) охлаждаемое колено, где собирается сжиженный газ

4) вода или охлаждающая смесь

Фарадей открыл новый метод сжижения газов: не обязательно было получать газы в одном сосуде и закачивать их в другой сосуд, где будет производиться сжижение. Газы удобно переводить в жидкое состояние в том же сосуде, где они образуются. Таким способом на протяжении 1823 года Фарадею удалось перевести в жидкое состояние сероводород, сернистый газ, углекислый газ, закись азота.

Выводы
Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием
Сжижение газов- сложный процесс, который включает в себя множество сжатий
Сжижение может быть произведено сжатием газа и одновременным его охлаждением
Сжиженные газы находят широкое применение
Сжиженные газы применяются не только в технике, медицине и сельском хозяйстве, но и в науке.

Список используемой литературы

h ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Сжижение_газов

ГАЗ . Газообразным состоянием называется такое состояние вещества, в котором силы, действующие между молекулами, чрезвычайно малы и размеры самих молекул ничтожны сравнительно с промежутками между ними. Между столкновениями молекулы газа двигаются прямолинейно, равномерно и совершенно беспорядочно. При нагревании и разрежении все газы стремятся к предельному состоянию так называемого идеального , или совершенного газа .

В идеальном газе междумолекулярные силы равны нулю, и объем самих молекул бесконечно мал сравнительно с объемом междумолекулярного пространства. Состояние идеального газа является тем предельным разведенным состоянием вещества, к которому стремятся все тела природы при достаточно высоких температурах и достаточно низких давлениях; в этом и заключается особое значение состояния идеального газа, к тому же наиболее просто поддающегося исследованию и потому полнее всего изученного. Вещество, в крайнем разрежении заполняющее межпланетное пространство, может считаться находящимся в состоянии идеального газа.

Газовое давление (р) обусловливается ударами молекул газа о стенки сосуда. Согласно кинетической теории, средняя кинетическая энергия молекул газа пропорциональна абсолютной температуре. В кинетической теории показывается, что идеальный газ строго подчиняется следующему уравнению состояния, связывающему три параметра состояния: v, T и р, из которых два являются независимыми, а третий - их функцией:

Это уравнение (уравнение Клапейрона ) заключает в себе в явной форме три основных закона состояния идеального газа:

1) Закон Бойля-Мариотта . При постоянной температуре (Т) произведение (p∙v) для данного количества идеального газа есть величина постоянная (p∙v = Const), т. е. объем идеального газа (v) обратно пропорционален его давлению (р): изотермы идеального газа в системе координат (v, р) являются равнобокими гиперболами, асимптотами которых служат оси координат.

2) . При постоянном (р) объем данного количества идеального газа линейно возрастает с температурой:

(v 0 - объем при температуре = 0°С, α - коэффициент расширения идеального газа). Изменение (p) с температурой при v = Const подчиняется такому же закону:

(α) в уравнении (3) - коэффициент давления, численно равный коэффициенту расширения (α) в уравнении (2) = 1/273,1 = 0,00367 - величина, независящая от природы газа и одинаковая для всех идеальных газов; р 0 - давление при температуре = 0°С. Вводя вместо температуры абсолютную температуру

находим вместо уравнений (2) и (3):

3) Закон Авогадро . Из уравнения (1) видно, что газовая постоянная R = p 0 ∙v 0 /273,1 пропорциональна нормальному объему v 0 , занимаемому данным количеством газа при нормальных условиях (р 0 = 1 Atm и t 0 = 0°С = 273,1° К), т. е. обратно пропорциональна плотности газа при нормальных условиях D 0 . По закону Авогадро, при одинаковых (р) и (Т) все идеальные газы содержат в равных объемах (например, равных v 0) равное число молекул. Обратно: равное число молекул (например, 1 моль = 1 граммолекуле) всякого газа в идеальном состоянии занимает один и тот же объем v 0 при нормальных условиях, независимо от природы газа (в 1 моле всякого вещества содержится N 0 = 6,06∙10 23 отдельных молекул - число Авогадро ). Найдено с большой точностью, что нормальный молярный объем любого идеального газа (V 0) м равен 22,412 литр/моль. Отсюда можно рассчитать число молекул в 1 см 3 любого идеального газа при нормальных условиях: n0 = 6,06∙10 23 /10 3 ∙22,416 = 2,705∙10 19 см 3 (число Лошмита ). При помощи уравнения (1) закон Авогадро выражается в том, что газовая постоянная R при расчете на 1 моль любого газа будет одна и та же, независимо от природы газа. Т. о. R является универсальной постоянной с размерностью [работа ]/[масса ][температура ] и выражает работу расширения 1 моля идеального газа при нагревании его на 1°С при р = Const:

в этом и состоит физическое значение R.

находим числовое значение

В других единицах значения R (на 1 моль) таковы:

Кроме разобранных трех законов, из уравнения (1) состояния идеального газа в соединении с двумя началами термодинамики следуют еще такие основные законы:

4) Закон Джоуля . Одно из общих уравнений термодинамики

дает вместе с уравнением (1) следующие условия для внутренней энергии U идеального газа:

т. е. U идеального газа есть функция только Т (закон Джоуля); при изотермическом расширении идеального газа все поглощаемое тепло переходит во внешнюю работу, а при изотермическом сжатии вся расходуемая работа - в выделяющееся тепло.

5) Теплоемкости идеального газа при постоянном объеме c v и при постоянном давлении с р являются функциями одной лишь Т. Термодинамика дает общие уравнения

но для идеального газа (р) и (v) линейно зависят от (Т), по закону Гей-Люссака (4) и (5); следовательно, правые части уравнений (9) обращаются в 0 и

Теплоемкости с р и c v не независимы друг от друга, но связаны для идеального газа простым условием:

вытекающим из газовых законов (R имеет размерность теплоемкости), т. е., если с р и c v относить к 1 молю идеального газа, то они разнятся между собой на 2 (точнее - на 1,986) – cal/моль∙град.

В кинетической теории принимается, по принципу равномерного распределения энергии, что на каждую степень свободы газовой молекулы приходится энергия k 0 ∙Т/2, а на 1 моль приходится

(k 0 = –R/N 0 есть газовая постоянная, рассчитанная на 1 молекулу - постоянная Больцмана ). Числом степеней свободы (i) называется число независимых друг от друга видов механической энергии, которой обладает молекула газа. Тогда энергия 1 моля

(приближенно, считая R = 2, c v = i, с р = i+2).

В учении о газе важную роль играет отношение c p /c v = γ; из уравнений (11) и (12):

В простейшем случае одноатомного газа (молекула которого состоит из 1 атома, каковы благородные газы и пары многих металлов) i наименьшее и равняется 3: вся энергия молекулы сводится к кинетической энергии ее поступательных движений, которые могут совершаться по трем независимым взаимно перпендикулярным направлениям; тогда

а γ имеет наибольшую возможную величину: γ = 5/3 = 1,667. Для двухатомных газов (Н 2 , O 2 , N 2 , СО и другие) можно считать I = 3+2 (два вращения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, перпендикулярных к линии, соединяющей оба атома); тогда c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 и γ = 7/5 = 1,40. Для трехатомного газа (Н 2 O, СO 2 , H 2 S, N 2 O)i = 3+3 (вращение вокруг трех взаимно перпендикулярных осей) и c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 и γ = 4/3 = 1,33.

При дальнейшем усложнении строения молекулы, т. е. с увеличением i, возрастают c v и с р, а γ = 1 + 2/i и стремится к 1. Табл. 1 показывает, что все сказанное хорошо согласуется с данными опыта, что γ всегда >1 и ≤1,667 и не может быть = 1,50 (для i = 4).

Для одноатомных газов c v и с р, в соответствии с теорией, практически не изменяются с температурой (так, для Ar значения c v и с р лежат в пределах от 2,98 до 3,00 между температурами = 0° и 1000° С). Изменения c v и с р с температурой находят объяснение в теории квант. Впрочем, теплоемкости газов, близких к идеальным, практически почти не изменяются в широких интервалах температуры. Экспериментально определяются обычно с р и у, a c v вычисляется из этих данных.

Реальные газы . Все газы, существующие в действительности, - реальные газы б. или м. уклоняются от законов идеальных газов, но тем меньше, чем выше температура и чем ниже давление. Т. о. законы идеальных газов являются для реальных газов предельными. При обычной температуре уклонения меньше всего у газов, критические температуры которых чрезвычайно низки (т. н. постоянные газы: Не, Н 2 , N 2 , О 2 , воздух); у газов же со сравнительно высокой критической температуры и у паров (паром называется газ при температуре меньше критической температуры) уклонения бывают очень значительны. Причины уклонений реальных газов от газовых законов заключаются в том, что: 1) в них действуют междумолекулярные силы; поэтому поверхностные молекулы втягиваются внутрь газов силами, равнодействующая которых, рассчитанная на единицу поверхности и направленная перпендикулярно к ней, называется молекулярным (внутренним) давлением К ; 2) не весь объем газа (v), а только часть его (v-b) дает свободу для движений молекул; часть объема (b), коволюм , как бы занята самими молекулами. Если бы газ был идеальным, его давление было бы больше наблюдаемого (р) на величину К; поэтому уравнение состояния реального газа напишется в виде.

В этом общем уравнении К и b могут зависеть от Т и v.

Ван-дер-Ваальс показал, что в простейшем случае К = a/v 2 , а b - величина постоянная, равная учетверенному объему самих молекул газа. Таким образом, уравнение Ван-дер-Ваальса имеет вид:

а и b, константы Ван-дер-Ваальса, как показывает опыт, все же зависят от T и v, и потому уравнение (15) является лишь первым приближением; оно хорошо передает качественную форму изотерм реальных газов.

На фиг. 1 изображены для СO 2 теоретической изотермы: S-образные части этих изотерм отвечают термодинамически метастабильным состояниям .

На фиг. 2 изображены для СО 2 экспериментальные изотермы: S-образные части кривых заменены прямолинейными частями; справа от этих частей кривые соответствуют газу (ненасыщенному пару), слева - жидкости, а сами прямолинейные отрезки - равновесию пара и жидкости. Уравнение (15), в полном согласии с опытом, показывает, что с повышением температуры размеры прямолинейных отрезков на изотермах делаются все меньше (фиг. 2) и, наконец, при некоторой температуре равной критической температуре длина этого отрезка обращается в 0. При температуре большей критической температуры газ не может обращаться в жидкость ни при каких давлениях: жидкость перестает существовать. Т. о. уравнение Ван-дер-Ваальса охватывает два состояния - газообразное и жидкое - и служит основанием для учения о непрерывности перехода между этими двумя состояниями. Критические температуры для некоторых газов имеют следующие значения: +360°С для Н 2 О, +31°С для СО 2 , –241°С для Н 2 и –254°С для Не.

Сжижение газа . Всякий газ можно обратить в жидкость надлежащим давлением, предварительно охладив его ниже критической температуры. Необходимые для сжижения СО 2 давления (в Atm) при разных температурах приведены в табл. 2.

Понятно, что эти давления являются давлениями насыщенного пара жидкой углекислоты и тем ниже, чем ниже температура.

Чтобы предварительно сильно охладить газ для сжижения, в технических установках пользуются эффектом Джоуля-Томсона, заключающимся в том, что при адиабатическом расширении (например, при резком падении давления, когда газ вытекает из отверстия) внутренняя энергия газа возрастает на ΔU, а Т изменяется на ΔТ, причем термодинамически

В случае идеальных газов ΔU = 0 и ΔТ = 0 [так как, по уравнению (1), T∙dv/dT – v = 0].

Для реальных газов ΔТ ≠ 0, т. е. происходит охлаждение или нагревание, смотря по тому, будет ли T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp < 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(с достаточным приближением). Т. о. при достаточно высоких температурах все газы при адиабатическом расширении нагреваются (ΔТ > 0, т. к. a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает инверсионная точка Т i , определяемая условием

ниже которой газы начинают охлаждаться при адиабатическом расширении (a/R∙T> b при Т < 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.

Соответственные состояния . Критические температура Т к, давление р к и объем v к м. б. выражены через константы Ван-дер-Ваальса а, b и R следующим образом:

Если за единицы измерения Т, р и v принять соответственно критические величины, то вместо Т, р и v состояние будет характеризоваться приведенными величинами :

Если ввести θ, π и ϕ в уравнение Ван-дер-Ваальса (15), то константы а, b и R сократятся, и получится приведенное уравнение состояния , с численными коэффициентами

вовсе не содержащее величин, зависящих от природы вещества. Уравнение (19) предполагает, однако, правильность уравнения Ван-дер-Ваальса, и потому уклонения от него часто весьма значительны, особенно в случае ассоциированных веществ. Учение о соответственных состояниях (так называются состояния, отвечающие одинаковым θ, π и ϕ) дает возможность находить большое число универсальных зависимостей, подобных уравнению (19).

Применение газов . Сжатые и сжиженные газы применяются в технике всюду, где нужны значительные количества газа в небольшом объеме; так, СО 2 применяется для газирования вод, Сl 2 и фосген - в военно-химическом деле, O 2 - для медицинских целей, сжатый воздух - для пуска двигателей внутреннего сгорания. Особенное значение сжиженные газы (СО 2 и NH 3) имеют в холодильном деле, в холодильных машинах (например, для получения искусственного льда). Легкие газы (Н 2 , светильный газ, в последнее время Не) применяются для наполнения аэростатов . Инертные газы (N 2 и благородные газы, особенно Аr) применяются для наполнения полуваттных ламп накаливания. Особняком стоит применение газа для освещения или в качестве топлива: светильный, силовой, водяной газы и другие.

Газ - это одно из трех стандартных агрегатных состояний вещества. Свойство, которое характеризует любое вещество в состоянии газа - это способность занимать весь объем отведенного газу пространства, со временем равномерно распространяясь по всему доступному объему. Сжиженный природный газ - это вещество с тем же самым составом (в случае природного газа мы говорим про метан - СН 4), но в другом агрегатном состоянии. Мы имеем жидкость вместо газа. Итак, как же происходит процесс сжижения метана, пропана и других газов?

Получение сжиженного газа возможно двумя способами:

• сжижение любого газа происходит методом понижения его температуры ниже уровня температуры кипения;
• процесс сжижения некоторых газов можно провести более дешевыми методами - путем повышения давления.

Хронологически первыми были получены в жидком состоянии такие газы, как углекислый газ, сернистый газ, аммиак. Процесс сжижения этих газов происходил при повышении давления и нормальной комнатной температуре. Газы, которые были сжижены далее - пропан, бутан, этан и другие - также проходили процедуру сжижения с повышением давления. Однако дальше выяснилось, что сжижение газа при компрессорным методом работает не всех газов - природный газ не превращается в сжиженный метан при повышении давления.

Далее было установлено, что возможно получение газа в жидком состоянии абсолютно для всех известных групп газов, однако процесс сжижения определенного газа не даст результата, если этот газ не охлажден до уровня ниже критической температуры. Если температура кипения - это температура, при которой вещество полностью переходит из состояния газа в состояние жидкости, то критическая температура - это уровень, при котором переход из состояния газа возможен при достижении определенного давления. Именно таким является процесс получения сжиженного природного газа - охлаждение до критической температуры -82,5 о С (при температуре кипения метана в -161,5 о С) и повышение давления газа.

Сжижение газа помогает решить вопрос с его хранением и транспортировкой (хранение жидкости более удобно, чем хранение газа, и не требует полностью герметичного помещения) - объем природного газа в жидком состоянии меньше в 600 раз, чем то пространство, которое занимает то же количество газа в обычном виде. Получение сжиженного газа относится к началу ХХ века, когда для его удобной транспортировки впервые была применена технология повышения давления. Однако развитию применения такого газа помешало применение технологии трубопроводной доставки, пришедшей из нефтяной промышленности.

Сжиженный метан и пропан.

Получение сжиженного метана невозможно через повышение давления при комнатной температуре, поэтому для хранения природного газа в жидком состоянии используются криогенные технологии, позволяющие поддерживать температуру ниже уровня испарения газа. Дороговизна применения технологий по хранению и транспортировке сжиженного метана сказывается на ограничении популярности СПГ в сравнении с трубопроводным газом. Использование сжиженного метана в качестве топлива требует оборудования для сжижения газа, танкеров, позволяющих поддерживать необходимую низкую температуру, терминалов по разжижению СПГ.

В свою очередь, сжиженный пропан может быть получен путем повышения давления. В газгольдерах и баллонах хранение такого газа происходит не в жидком, а в обычном виде - в любой емкости для СУГ пропан-бутановая смесь существует в жидком и газообразном состоянии одновременно (и именно та часть смеси, которая находится в обычном состоянии, подается в трубопровод к газовому котлу).

В этом состоит преимущество пропан-бутана перед сжиженным метаном - для хранения и транспортировки пропан-бутана нужна только емкость, выдерживающая внутреннее давление.

Жидкости могут существовать лишь при температурах ниже критической. Поэтому для сжижения газа его нужно прежде всего охладить ниже критической температуры, а затем подвергнуть сжатию. Как видно из таблицы XIII, такие газы, как кислород, азот, водород и особенно гелий, требуют для сжижения очень низких температур.

Таблица XIII (см. скан) Критические температуры и температуры кипения (при атмосферном давлении) для некоторых газов

В одном из первых промышленных методов сжижения газов (метод Линде, 1895) использовался эффект Джоуля - Томсона.

Схема машины Линде представлена на рисунке 6.21. Сжатый компрессором К и вследствие этого несколько нагретый газ проходит через холодильник X, где он отдает тепло проточной воде и охлаждается до первоначальной температуры. Затем газ проходит через змеевик к дроссельному вентилю (крану) и расширяется в приемник В с перепадом давления примерно от сотен атмосфер до одной атмосферы. Сразу после запуска установки понижение температуры недостаточно для сжижения газа. Слегка охлажденный газ направляется опять в компрессор через змеевик Оба змеевика расположены в тесном тепловом контакте (обычно один змеевик вставлен в другой) в противоточном теплообменнике В теплообменнике газ, идущий к компрессору и имеющий более низкую температуру, охлаждает встречный поток газа. Очевидно, во втором цикле газ подойдет к вентилю А с более низкой температурой, чем

это было при первом его прохождении, а после дросселирования температура еще более понизится. С каждым циклом в результате дросселирования и действия теплообменника температура газа будет все более понижаться и в конце концов понизится настолько, что часть газа после расширения превращается в жидкость и накапливается в приемнике В, откуда жидкость может быть слита в сосуд Дьюара через кран

Описанный принцип противоточного теплообмена используется во всех машинах для сжижения газов, хотя конструкция такого рода теплообменников может быть чрезвычайно разнообразной.

Другой промышленный метод сжижения газов (метод Клода, 1902 г.) основан на дополнительном охлаждении газа при совершении им работы. Сжатый газ после вентиля (рис. 6.21) направляется в поршневую машину (детандер), где он, расширяясь, совершает работу по перемещению поршня за счет кинетической энергии молекул (на рисунке детандер не изображен). В результате эффект понижения температуры газа делается более значительным, нежели в машине Линде. Этот метод усовершенствовал советский ученый П. Л. Капица (1934 г.), который вместо поршневого детандера применил небольшую турбину (турбодетандер), приводимую во вращение охлаждаемым газом (ротор детандера небольших размеров, и вес его измеряется всего сотнями граммов).

В настоящее время для сжижения газов в большинстве случаев используют машины с расширением в детандерах. При сжижении гелия для предварительного охлаждения в машинах с турбодетандерами используют не водород, а азот, что значительно повышает производительность и экономическую эффективность устройства. Кроме того, при одинаковой производительности машины с турбодетандерами в несколько раз меньше машин, работающих по схеме Линде.

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ - производят при охлаждении их ниже критич. темп-ры Т к (см. Критическая точка ).С. г. с критич. темп-рой выше темп-ры окружающей среды (С1 2 , NH 3 , CO 2 и др.) производится сжатием их в компрессорах и последующей конденсацией в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Для С. г. с критич. темп-рой ниже темп-ры окружающей среды их предварительно охлаждают с помощью соответствующих холодильных (криогенных) циклов.

Идеальный цикл С. г. приведён на рис. 1: 1 - 2 - изобарич. охлаждение газа от темп-ры Т 0 до темп-ры Т 2 начала конденсации (T 2 ниже Т к) , изотерма 2-0 - конденсация газа; 1-3 - изотермич. сжатие газа, 3-0 - адиабатич. его расширение. Площадь под 1 -2 -0 соответствует отводимой при С. г. теплоте, площадь внутри 1 - 2 - 0- 3 - мин. работе A мин С. г.: где S Г, S Ж - энтропия, Н Г, Н Ж - энтальпия газа и жидкости соответственно.

Рис. 1. Т - S-диаграм-ма идеального цикла сжижения газов (р - давление, Н - энтальпия) .

Давления, необходимые для идеального цикла С. г., составляют сотни тысяч атм, поэтому на практике цикл неосуществим. Реальные затраты энергии при С. г. обычно превышают А мин в 5-10 и более раз.

Совр. методы С. г. основаны на охлаждении предварительно сжатого газа при Джоуля - Томсона эффекте (т. е. при дросселировании - пропускании газа через пористую перегородку, кран, вентиль), изоэнтропич. расширении газа с совершением внеш. работы в детандере и при выпуске газа из сосуда пост. объёма (выхлоп). Процесс дросселирования необратим, идёт с возрастанием энтропии по закону: Н = const. Инверсионная темп-pa всех газов (темп-pa, при к-рой положит. становится отрицательным и газ начинает нагреваться), кроме Н 2 , Не и Ne, на сотни градусов выше темп-ры окружающей среды, и поэтому они могут быть охлаждены и сжижены простым дросселированием. Инверсионные темп-ры Н 2 , Не и Ne значительно ниже комнатных, поэтому их предварительно охлаждают (Н 2 и Ne - жидким азотом, Не - жидким водородом).

Термодинамически наиб. эффективен метод С. г. с помощью детандера; этот метод в пром. установках является основным. В поршневых детандерах сжатый газ движет поршень и охлаждается, в турбодетандерах - вращает турбину. В большинстве случаев после детандера газ дополнительно охлаждают дросселированием. Процесс расширения газа в детандере: S = const.

Рис. 2. Схема установки сжижения газов (а) и её Т - S-диаграмма (б); К - компрессор, Д - детандер, Т/о - теплообменники, Др - дроссель, Сб - сборник .

На рис. 2 приведены типовая схема установки для С. г. (а )и Т - S -диаграмма (б )термодинамич. процессов в ней. После сжатия в компрессоре (1-2 )и предварит. охлаждения в теплообменнике (2-3 )поток сжатого газа делится на два: поток М отводится в детандер, где, расширяясь, производит работу, охлаждается (3-7 )и охлаждает вторую часть сжатого газа 1 - М , к-рый затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение газа в детандере должно протекать при пост. энтропии (3-6) , однако в результате разл. потерь реально идёт процесс 3-7 . В крупных установках С. г. применяют неск. детандеров, работающих в разных температурных интервалах. Спец. устройство позволяет получать сжиженный газ непосредственно в самом детандере и обходиться без дроссельной ступени. Для сжижения небольших кол-в газа используются криогенно-газовые машины, представляющие собой комбинацию компрессора, теплообменного аппарата и детандера. С помощью таких машин получают темп-ры до 10 К, т. е. достаточно низкие для сжижения всех газов, кроме гелия (для сжижения гелия пристраивается дополнит. дроссельная ступень). В небольшом объёме С. г. может производиться при охлаждении испаряющейся жидкостью с более низкой (чем получаемая) темп-рой кипения. Так, с помощью жидкого азота можно сжижать кислород, аргон, метан и др. газы, с помощью жидкого водорода - неон. Такой процесс энергетически невыгоден и применяется только в лаб. условиях.

Подвергаемые сжижению газы должны быть очищены от примесей, к-рые имеют тем-ру замерзания более высокую, чем в цикле сжижения данного газа, и, затвердевая, могут закупорить теплообменную аппаратуру. Сжижение газов (N, О 2 , Н 2 , природного газа и др.) - крупная отрасль хим. пром-сти.

Лит.: Справочник по физико-техническим основам криогеники, под ред. М. П. Малкова, 3 изд., М., 1985; Фрадков А. Б., Что такое криогеника, М., 1991. А. Б. Фрадков .