Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
С
ища
Рис. 109.
э
ИЕЛ
j—і Z
Рис. 110.
ему навстречу по внутренней трубе к детандору или вентилю. Это охлаждение и является назначением теплообменника. Таким образом, после каждого хода поршня в детандор или к вентилю будет поступать все более холодный газ. Наконец, наступает такой момент, когда поступающий газ охлаждается настолько сильно, что после очередного адиабатического расширения или дросселирования он начинает сжижаться.
3. По сравнению с методом адиабатического охлаждения метод, основанный на эффекте Джоуля — Томсона, обладает большей простотой. В нем не возникает проблемы смазки, поскольку используемая аппаратура не содержит никаких подвижных частей, работающих при низких температурах. Однако за эту простоту приходится расплачиваться дорогой ценой — огромной потерей эффективности охлаждения и необходимостью работать при высоких давлениях с использованием больших количеств газа. Охлаждение, которое можно получить адиабатическим расширением, обычно
§ 105] ПОЛУЧЕНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР И СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ 411
много больше того, что дает эффект Джоуля — Томсона. Но при этом встречаются существенные трудности, связанные со смазкой подвижных узлов: при низких температурах масло замерзает. Клод применял прокладки из сухой обезжиренной кожи. Роль смазки играл сам воздух, просачивающийся в небольшом количестве между уплотнением поршня и стенками цилиндра. П. Л. Капица (род. в 1894 г.) в 1934 г. предложил применять в поршневых детандорах поршень без уплотнительных колец из кожи. В построенном им детандоре между боковой поверхностью цилиндра и поршнем имелся зазор /— 0,035 мм (при диаметре поршня 30 мм), заполненный газом, который играл роль смазки. Чтобы избежать «заклинивания поршня», на нем были сделаны кольцевые канавки глубиной и шириной по 0,25 мм, расположенные на расстоянии ~ 5 мм друг от друга, обеспечивающие выравнивание давления газа на боковую поверхность поршня. Свой детандор Капица успешно применил для сжижения гелия. Предварительное охлаждение газообразного гелия производилось жидким азотом. Другое решение, снимающее проблему смазки, состоит в замене поршневого детандора турбиной. Это было предложено еще Релеем (1842—• 1919) в 1898 г. Однако первые работающие турбодетандоры, по-видимому, были изготовлены только в начале 30-х годов в Германии. Впервые анализ работы турбодетандора был произведен П. Л. Капицей. Он выявил преимущества турбодетандоров перед ранее применявшимися поршневыми детандорами. Современные мощные ожижители работают по принципу турбодетандора.
4. Циклы, описанные выше, предназначены для непрерывного сжижения газов. Однако значительно проще производить сжижение периодически методом однократного адиабатического расширения сжатого газа. Такой метод впервые был применен Кальете (1832— 1913) в 1877 г. для сжижения воздуха, а затем Ольшевским (1846— 1915) в 1887 г. для сжижения водорода. Сжатый газ подвергался сначала предельно возможному предварительному охлаждению, а затем адиабатически расширялся. Попытки названных ученых ожнжить указанные газы лишь частично увенчались успехом. Кальете не удалось получить жидкий воздух, а Ольшевскому — жидкий водород. Они наблюдали только кратковременное появление тумана, состоящего из мельчайших капелек этих жидкостей. Успешное применение метода однократного адиабатического расширения относится к 1932 г., когда Симону удалось получить таким путем жидкий гелий. С тех пор этот метод широко применяется для получения небольших количеств жидкого гелия. Он получил название экспансион-ного метода. В 1935 г. Симон, Кук и Пирсон получили тем же методом жидкий водород. Экспансионный метод пригоден только в том случае, когда теплоемкость сосуда меньше теплоемкости находящегося в нем газа. Это условие выполняется лишь при очень низких температурах, когда теплоемкость твердых тел сильно падает. Поэтому
412
РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
ІГЛ. VIII
экспансионный метод применяется практически только для сжижения водорода н гелия. Этим же объясняется неудача опытов Кальете по сжижению кислорода.
5. І Імея в распоряжении сжиженный газ, можно добиться дальнейшего понижения температуры, заставляя жидкость кипеть под пониженным давлением. Этим воспользовались польские ученые Вроблевский (1845—1888) и Ольшевский (1820—1883), впервые получившие жидкий кислород. Они использовали тот же прием для сжижения газов, которым пользовался Фарадей. Была взята толстостенная изогнутая стеклянная трубка с запаянным концом. Запаянный конец трубки погружался в жидкий этилен, кипящий под пониженным давлением при температуре — 130 °С (т. е. ниже критической температуры кислорода —118,8 °С). Другой конец трубки соединялся с баллоном, в котором содержался сильно сжатый кислород. При открывании соединительного крана на стенках трубки появлялись капельки жидкого кислорода, которые, скатываясь, собирались на дне трубки.
6. Жидкий водород был впервые получен Дьюаром (1842—1923) в 1898 г. в Лондонском Королевском институте. Им был использован эффект Джоуля — Томсона. Сжатый до высокого давления водород предварительно охлаждался ниже температуры инверсии в змеевике, погруженном в жидкий воздух, кипящий под пониженным давлением, а затем подвергался дросселированию. Понадобилось еще десять лет, прежде чем Камерлинг-Оннесу (1853—1926) и его сотрудникам в Лейденском университете удалось перевести в жидкое состояние гелий. Спустя еще 15 лет жидкий гелий стали производить и в других местах. В настоящее время жидкий гелий получают в больших количествах не только в научных лабораториях, но и на заводах.
