09.02.2009

Сжижение газов

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»).

Чинья доказал, что чем быстрее происходит испарение, тем интенсивнее остывание, а Меран показал, что если дуть на влажный шарик термометра, понижение температуры окажется больше, чем при таком же опыте с сухим шариком термометра. Антуан Боме (1728—1804) обнаружил, что при выпаривании серного эфира охлаждение происходит сильнее, чем при испарении воды. Основываясь на этих фактах, Тиберио Кавалло создал в 1800 г. холодильную машину, а Волластон построил в 1810 г. свой известный криофор, применяемый и в наше время. На основе этого прибора в 1820 г. был создан гигрометр Даниэля. Холодильная машина стала практически применимой лишь после 1859 г., т. е. после того, как Фернан Карре (1824— 1894) опубликовал свой метод получения льда с помощью испарения эфира, впоследствии замененного аммиаком. В 1871 г. Карл Линде (1842—1934) описал созданную им холодильную машину, в которой охлаждение достигается за счет расширения газа. В 1896 г. он скомбинировал эту машину с противоточным теплообменником, описываемым в курсах физики, и это позволило  ему  получить  жидкий  водород. Достигнутые  к  тому  времени физиками экспериментальные результаты начали внедряться в промышленность.

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).

В серии работ, опубликованных в 1822 и 1823 гг., Каньяр де Латур описал опыты, проведенные им для определения существования для жидкости (как это чувствуется интуитивно) некоторого предельного расширения, дальше которого независимо от приложенного давления вся она переходит в парообразное состояние. С этой целью де Латур положил в котел, заполненный на одну треть спиртом, каменный шар и начал постепенно разогревать котел. По шуму, производимому шаром, поворачивавшимся внутри котла, де Латур пришел к выводу, что при определенной температуре весь спирт испарился. Опыты были повторены с небольшими трубками; из трубок удалялся воздух, а затем они заполнялись на 2/5 исследуемой жидкостью (спирт, эфир, бензин) и нагревались в пламени. По мере увеличения температуры жидкость становилась все более подвижной, а граница раздела жидкости и пара все более нечеткой, пока при определенной температуре совсем не исчезала и вся жидкость казалась превратившейся в пар. Соединив эти трубки с манометром со сжатым воздухом, Каньяр де Латур сумел измерить давление, устанавливающееся в трубке в момент, когда исчезает граница раздела между жидкостью и паром, и соответствующую температуру. Вопреки бытующему представлению Каньяр де Латур не только не определил в этих опытах критическую температуру для воды, ему не удалось даже полностью испарить воду, потому что трубки всегда лопались раньше, чем достигался желаемый эффект.

Более конкретный результат содержали опыты Фарадея, проведенные в 1823 г. с загнутыми стеклянными трубками, более длинное плечо, которых было запаяно. В это плечо Фарадей помещал вещество, которое при нагреве должно было давать исследуемый газ, затем закрывал второе, короткое плечо трубки и погружал трубку в охлаждающую смесь. Если, проделав это, нагревать вещество в длинном плече трубки, то образуется газ, давление которого постепенно увеличивается, причем во многих случаях в короткой трубке у Фарадея происходило сжижение газа. Так, нагревая бикарбонат натрия, Фарадей получил жидкую углекислоту; таким же способом он получал жидкий сероводород, хлористый водород, серный ангидрид и др.

Опыты де Латура и Фарадея показали, что можно добиться сжижения газа, подвергая его высокому давлению. В этом направлении начали работать многие физики, в частности Иоганн Наттерер (1821—1901). Однако некоторые газы (водород, кислород, азот) сжижить таким путем не удавалось. В 1850 г. Вертело подверг кислород давлению в 780 атм, но не смог добиться сжижения. Это заставило Вертело присоединиться к мнению Фарадея, который, уверенный, что рано или поздно удастся получить твердый водород, полагал, что одного давления недостаточно для сжижения некоторых газов, прозванных тогда «перманентными» или «неукротимыми».

В том же 1845 г., когда Фарадей высказал это соображение, Реньо, заметив, что при низкой температуре углекислый газ обладает аномальной сжимаемостью, а при приближении к 100° С начинает следовать закону Бой-ля, выдвинул предположение, что для каждого газа существует некая область температур, где он подчиняется закону Бойля. В 1860 г. эту идею Реньо развил и модифицировал Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907), согласно которому для всех жидкостей должна существовать «абсолютная температура кипения», выше которой она может существовать лишь в газообразном состоянии, каково бы ни было давление.

Исследование этого вопроса было возобновлено в 1863 г. в новой форме Томасом Эндрюсом (1813—1885). В 1863 г. Эндрюс ввел в капиллярную трубку углекислый газ, заперев объем газа столбиком ртути. С помощью винта он произвольно устанавливал давление, под которым находился газ, одновременно меняя постепенно температуру. Добившись с помощью одного лишь увеличения давления частичного сжижения газа и затем медленно нагревая трубку, Эндрюс наблюдал те же явления, которые за 30 лет до него исследовал Каньяр де Латур. Когда температура углекислоты достигала 30,92° С, граница раздела между жидкостью и газом исчезала и никаким давлением нельзя было уже получить обратно жидкую углекислоту. В своей обстоятельной работе 1869 г. Эндрюс предложил назвать температуру 30,92° С «критической точкой» для углекислоты. Таким же методом он определил критические точки для хлористого водорода, аммиака, серного эфира, окиси азота. Термин «пар» он предложил сохранить для газообразных веществ, находящихся при температуре ниже критической точки, а термин «газ» применять к веществам, находящимся при температуре выше критической точки. Подтверждением этой точки зрения Эндрюса являлись упомянутые уже опыты Наттерера, проведенные им с 1844 по 1855 г., в которых перманентные газы подвергались давлению до 2790 атм, так и не сжижаясь, и многочисленные аналогичные опыты, начатые в 1870 г. Эмилем Амага (1841—1915), в которых достигалось давление до 3000 атм.

Все эти отрицательные результаты опытов подтверждали гипотезу Эндрюса о том, что перманентные газы — это вещества, для которых критическая температура ниже достигнутых в тот момент значений, так что их сжижение можно было бы осуществить с помощью предварительного глубокого охлаждения, возможно с последующим сжатием. Эта гипотеза была блестяще подтверждена в 1877 г. Луи Кальете (1832—1913) и Раулем Пикте (1846—1929), которым независимо друг от друга удалось после предварительного сильного охлаждения добиться сжижения кислорода, водорода, азота, воздуха. Работы Кальете и Пикте были продолжены другими физиками, но лишь появление холодильной машины Линде, о которой мы уже упоминали, сделало методы сжижения практически доступными, позволив получать сжиженные газы в больших количествах и широко применять их при научных исследованиях и в промышленности.


УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ


Методы определения удельной теплоемкости трудно было применить к газообразным веществам вследствие малого удельного веса газов и паров. Поэтому в начале XIX века Парижская Академия наук объявила конкурс на лучший метод измерения удельной теплоемкости газа. Премия была присуждена Франсуа Деларошу (? — 1813?) и Жаку Берару (1789—1869), предложившим поместить в калориметр змеевик, по которому при известной температуре проходил бы газ при фиксированном давлении. Этот метод фактически не был новым; он был предложен еще за 20 лет до того Лавуазье. Как бы то ни было, результаты, полученные Деларошем и Бераром, приводились в курсах физики в течение полувека. Заслуга этих ученых прежде всего в том, что было привлечено внимание к необходимости различать удельные теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме. Последняя величина очень трудно поддается измерению из-за малой величины теплоемкости газа по сравнению с теплоемкостью содержащего его резервуара.

Но за несколько лет до появления работ Делароша и Берара началось исследование любопытного     явления, отмеченного Эразмом Дарвином (1731—1802) в 1788 г., а затем в 1802 г. Дальтоном и заключающегося в том, что сжатие воздуха вызывает его разогрев, а расширение приводит к охлаждению. Началом исследования этого явления обычно считают опыт Гей-Люссака (1807 г.), повторенный Джоулем в 1845 г. Гей-Люссак соединил трубкой два баллона, подобно тому как это делал Герике; один из баллонов был наполнен воздухом, а второй пустой; из наполненного баллона воздух мог свободно перетекать в пустой. В результате было установлено понижение температуры первого баллона и повышение температуры второго. Такое тепловое поведение воздуха заставляло считать, что удельная теплоемкость при постоянном давлении должна быть больше, чем при постоянном объеме, какой бы теории природы тепла мы ни придерживались. Действительно, если, расширяясь, газ охлаждается, то, позволяя ему при нагреве расширяться, необходимо сообщить ему дополнительное тепло, чтобы скомпенсировать сопутствующее расширению охлаждение.

Исходя из этих экспериментальных фактов, Лаплас в 1816 г. пришел к гениальной идее о том, что известное несоответствие между значением скорости звука, получающимся из опыта, и его теоретическим значением, получающимся из закона Ньютона, можно объяснить изменением температуры, которое испытывают слои воздуха при чередующихся сжатиях и разрежениях. На основе этих теоретических предпосылок Лаплас исправил формулу Ньютона, введя в нее коэффициент, равный отношению удельных теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме для воздуха. Сопоставление экспериментального значения скорости звука в воздухе и теоретического значения, получающегося по формуле Ньютона, позволило найти отношение удельных теплоемкостей. Таким косвенным путем физикам удалось получить первые данные о значении этого отношения и тем самым, поскольку значение удельной теплоемкости при постоянном давлении было известно, оценить удельную теплоемкость воздуха при постоянном объеме. Несколькими годами позже (1819 г.) Никола Клеману (1779—1841) и Шарлю Дезорму (1777—?) удалось в опытах по расширению газов, многократно повторяющихся другими учеными вплоть до наших дней и вошедших во все учебники по физике, непосредственно определить отношение теплоемкостей, которое в пределах экспериментальных ошибок совпало с найденным Лапласом.

В 1829 г. в результате тонких и кропотливых исследований Дюлонг определил отношение теплоемкостей для различных газов, для чего вызывал звук в трубке с помощью потоков различных газов. Эти эксперименты заставили его прийти к выводу, что в газах и парах при равных условиях (объем, давление, температура) образуется при одинаковом относительном сжатии или расширении одинаковое количество теплоты.

Заметим, что метод Дюлонга был существенно улучшен в 1866 г. Кундтом (1839—1894), который ввел специальную трубку (эта трубка называется теперь трубкой Кундта). Метод Кундта до сих пор считается одним из лучших методов определения отношения удельных теплоемкостей.


Составитель Савельева Ф.Н.



 
 
 
Rambler's Top100

Веб-студия Православные.Ру