Αέριο. Ιδανικό αέριο

Ρευστοποιημένος φυσικό αέριο ή για συντομία LNG, όπως συνηθίζεται να λέγεται ενεργειακή βιομηχανία(Αγγλικά αντί. Υγροποιημένο φυσικό αέριο, συντομ. LNG) είναι συνηθισμένο φυσικό αέριο που ψύχεται σε θερμοκρασία –162°C (το λεγόμενο θερμοκρασία υγροποίησης) για αποθήκευση και μεταφορά σε υγρή μορφή. Το υγροποιημένο αέριο αποθηκεύεται στο σημείο βρασμού, το οποίο διατηρείται λόγω Εξάτμιση LNG. Αυτή η μέθοδοςαποθήκευση LNG συνδέεται με το γεγονός ότι για μεθάνιο, το κύριο συστατικό του LNG, κρίσιμη θερμοκρασία–83°C, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και δεν καθιστά δυνατή την αποθήκευση υγροποιημένου φυσικού αερίου σε δεξαμενές υψηλής πίεσης (για αναφορά: η κρίσιμη θερμοκρασία για το αιθάνιο είναι +32°C, για το προπάνιο +97° С). Για να χρησιμοποιηθεί, το LNG εξατμίζεται στην αρχική του κατάσταση χωρίς την παρουσία αέρα. στο ( επιστρέφοντας το αέριο στην αρχική του κατάσταση ατμού) από ένα κυβικό μέτρο υγροποιημένου αερίου σχηματίζονται περίπου 600 κυβικά μέτρα συνηθισμένου φυσικού αερίου.

Θερμοκρασία υγραερίου

Η εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία του LNG το κάνει κρυογονικό υγρό. Γενικά, λαμβάνονται υπόψη ουσίες των οποίων η θερμοκρασία είναι –100°C (–48°F) ή χαμηλότερη κρυογενήςκαι απαιτούν ειδικές τεχνολογίες για την επεξεργασία. Για σύγκριση, η χαμηλότερη καταγεγραμμένη θερμοκρασία στη Γη είναι -89,2°C (Ανταρκτική) και σε τοποθεσία–77,8°С (χωριό Oymyakon, Yakutia). Η κρυογονική θερμοκρασία του υγροποιημένου φυσικού αερίου σημαίνει ότι η επαφή με το LNG μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στις ιδιότητες των υλικών που έρχονται σε επαφή, τα οποία στη συνέχεια γίνονται εύθραυστα και χάνουν την αντοχή και τη λειτουργικότητά τους. Ως εκ τούτου, η βιομηχανία LNG χρησιμοποιεί ειδικές τεχνολογίες.

Χημική σύνθεση LNG

Το αργό πετρέλαιο και το φυσικό αέριο είναι ορυκτά καύσιμα γνωστά ως "υδρογονάνθρακες", γιατί περιέχουν χημικούς συνδυασμούς ατόμων άνθρακα και υδρογόνου. Η χημική σύσταση του φυσικού αερίου εξαρτάται από το πού παράγεται το αέριο και πού υφίσταται επεξεργασία. Υγροποιημένο φυσικό αέριοαντιπροσωπεύει μίγμαμεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο με μικρές ποσότητες βαρύτερων υδρογονανθράκων και ορισμένες ακαθαρσίες, ιδιαίτερα άζωτο και σύμπλοκες ενώσεις θείου, νερό, διοξείδιο του άνθρακα και υδρόθειο, που μπορεί να υπάρχουν στο αέριο τροφοδοσίας αλλά πρέπει να αφαιρεθούν πριν . Μεθάνιοείναι το πιο σημαντικό συστατικό, συνήθως, αν και όχι πάντα, περισσότερο από 85% κατ' όγκο.

Πυκνότητα υγροποιημένου αερίου

Δεδομένου ότι το LNG είναι ένα μείγμα, πυκνότητα υγροποιημένου φυσικού αερίουποικίλλει ελαφρώς ανάλογα με την πραγματική του σύνθεση. Πυκνότητα υγροποιημένου φυσικού αερίου, κατά κανόνα, κυμαίνεται από 430–470 κιλά ανά κυβικό μέτροκαι ο όγκος του είναι περίπου το 1/600 του όγκου του αερίου υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες. Αυτό το κάνει περίπου ένα τρίτο ελαφρύτερο από τον αέρα. Μια άλλη συνέπεια αυτών των γεγονότων είναι ότι το LNG έχει χαμηλότερη πυκνότητα από το νερό, γεγονός που του επιτρέπει να επιπλέει στην επιφάνεια σε περίπτωση διαρροής και να επιστρέψει στην κατάσταση ατμού του αρκετά γρήγορα.

Άλλες ιδιότητες του LNG

Το υγροποιημένο φυσικό αέριο είναι άοσμο, άχρωμο, μη διαβρωτικό, μη εύφλεκτο και μη τοξικό. Το LNG αποθηκεύεται και μεταφέρεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες στο ατμοσφαιρική πίεση(χωρίς υψηλή πίεση). Όταν εκτίθεται στο περιβάλλον, το LNG εξατμίζεται γρήγορα, χωρίς να αφήνει ίχνη στο νερό ή στο έδαφος.

Στο δικό του υγρή μορφήτο υγροποιημένο φυσικό αέριο δεν έχει την ικανότητα να εκραγεί ή να αναφλεγεί. Στο εξάτμισηΤο φυσικό αέριο μπορεί να αναφλεγεί εάν έρθει σε επαφή με μια πηγή καύσης και εάν η συγκέντρωση ατμών στον αέρα είναι μεταξύ 5 και 15 τοις εκατό. Εάν η συγκέντρωση των ατμών αερίου είναι μικρότερη από 5 τοις εκατό, τότε οι ατμοί δεν επαρκούν για την ανάφλεξη πυρκαγιάς και εάν είναι περισσότερο από 15 τοις εκατό, τότε περιβάλλονθα υπάρξει έλλειψη οξυγόνου.

Πλεονεκτήματα του υγροποιημένου φυσικού αερίου

Η πυκνότητα του αερίου αυξάνεται εκατοντάδες φορές, γεγονός που αυξάνει την απόδοση και την ευκολία αποθήκευσης, καθώς και τη μεταφορά και την κατανάλωση ενέργειας.
Υγροποιημένο φυσικό αέριο - μη τοξικό κρυογονικό υγρό, το οποίο αποθηκεύεται σε θερμομονωμένο δοχείο σε θερμοκρασία –162°C. Μεγάλοι όγκοι LNG μπορούν να αποθηκευτούν σε ατμοσφαιρική πίεση.
Δυνατότητα διηπειρωτικής μεταφοράς LNG με ειδικά οχήματα, καθώς και μεταφορά με σιδηροδρομική και οδική μεταφορά σε δεξαμενές.
Το υγροποιημένο φυσικό αέριο καθιστά δυνατή την αεριοποίηση εγκαταστάσεων που βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις από τους κύριους αγωγούς δημιουργώντας ένα απόθεμα LNG απευθείας στον καταναλωτή, αποφεύγοντας την κατασκευή ακριβών συστημάτων αγωγών.

Από την πλευρά του καταναλωτή, τα πλεονεκτήματα του υγροποιημένου φυσικού αερίου, με βάση το , συνίστανται επίσης στο γεγονός ότι το LNG δεν είναι μόνο μια πηγή που μεταφέρεται μέσω αγωγών αερίου, αλλά και μια πηγή NGL (ευρύ κλάσμα ελαφρών υδρογονανθράκων– αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνια και πεντάνια), περιλαμβάνονται στο LNG και απελευθερώνονται από το LNG όταν επαναεριοποίηση. Αυτοί οι υδρογονάνθρακες χρησιμοποιούνται ως πετροχημικές πρώτες ύλες και ως πηγή καθαρού καυσίμου για διάφοροι τύποιμεταφορές (όπως και στην καθημερινή ζωή). Στο κλάσμα θα κυκλοφορήσει το C 2 + ή το C 3 +. Δυνατότητα μεταφοράς NGLστη σύνθεση του υγροποιημένου φυσικού αερίου δεν δρα μόνο υπέρ του καταναλωτή, αλλά επιλύει και τα προβλήματα μεταφοράς του παραγωγού NGLαπό κοίτασμα αερίου.

Το υγροποιημένο φυσικό αέριο είναι ασφαλές, οικολογικά καθαρή εμφάνισηκαύσιμαμε ψηλά ενεργειακά χαρακτηριστικάκαι αριθμός οκτανίου. Τιμή LNGΤο κόστος για τον καταναλωτή είναι χαμηλότερο από την τιμή του υγραερίου, του μαζούτ και ιδιαίτερα του καυσίμου ντίζελ.

ΑΕΡΙΟ. Αέρια κατάστασηείναι μια κατάσταση της ύλης στην οποία οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ των μορίων είναι εξαιρετικά μικρές και τα μεγέθη των ίδιων των μορίων είναι αμελητέα σε σύγκριση με τα κενά μεταξύ τους. Μεταξύ των συγκρούσεων, τα μόρια αερίου κινούνται σε ευθεία γραμμή, ομοιόμορφα και εντελώς τυχαία. Όταν θερμαίνονται και αραιώνονται, όλα τα αέρια τείνουν στην οριακή κατάσταση του λεγόμενου ιδανικού ή τέλειο αέριο.

ΣΕ ιδανικό αέριοΟι διαμοριακές δυνάμεις είναι μηδέν και ο όγκος των ίδιων των μορίων είναι απείρως μικρός σε σύγκριση με τον όγκο του διαμοριακού χώρου. Η κατάσταση ενός ιδανικού αερίου είναι εκείνη η περιοριστική αραιωμένη κατάσταση της ύλης στην οποία τείνουν όλα τα σώματα της φύσης όταν επαρκούν υψηλές θερμοκρασίεςκαι αρκετά χαμηλές πιέσεις; αυτό είναι το θέμα ιδιαίτερο νόηματην κατάσταση ενός ιδανικού αερίου, το οποίο είναι επίσης το πιο εύκολο στη μελέτη και επομένως το πιο πλήρως μελετημένο. Η ύλη που γεμίζει τον διαπλανητικό χώρο σε εξαιρετικά σπάνια μπορεί να θεωρηθεί ότι βρίσκεται σε κατάσταση ιδανικού αερίου.

Η πίεση του αερίου (p) προσδιορίζεται από τις επιπτώσεις των μορίων αερίου στα τοιχώματα του δοχείου. Σύμφωνα με κινητική θεωρία, η μέση κινητική ενέργεια των μορίων αερίου είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας. Στην κινητική θεωρία, αποδεικνύεται ότι ένα ιδανικό αέριο υπακούει αυστηρά στην ακόλουθη εξίσωση κατάστασης, που σχετίζεται με τρεις παραμέτρους κατάστασης: v, T και p, από τις οποίες οι δύο είναι ανεξάρτητες και η τρίτη είναι συνάρτηση αυτών:

Αυτή η εξίσωση ( Εξίσωση Clapeyron) περιέχει σε ρητή μορφή τους τρεις βασικούς νόμους της κατάστασης ενός ιδανικού αερίου:

1) Δίκαιο Boyle-Marriott. Σε μια σταθερή θερμοκρασία (T), το γινόμενο (p∙v) για μια δεδομένη ποσότητα ιδανικού αερίου είναι μια σταθερή τιμή (p∙v = Const), δηλ. ο όγκος ενός ιδανικού αερίου (v) είναι αντιστρόφως ανάλογος του πίεση (p): ιδανικές ισόθερμες αερίου στο σύστημα συντεταγμένων (v, p) είναι ισόπλευρες υπερβολές, οι ασύμπτωτες των οποίων είναι οι άξονες συντεταγμένων.

2) . Στη σταθερά (p), ο όγκος μιας δεδομένης ποσότητας ιδανικού αερίου αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία:

(v 0 - όγκος σε θερμοκρασία = 0°C, α - συντελεστής διαστολής ιδανικού αερίου). Η αλλαγή στο (p) με τη θερμοκρασία στο v = Const υπακούει στον ίδιο νόμο:

(α) στην εξίσωση (3) είναι ο συντελεστής πίεσης, αριθμητικά ίσο με τον συντελεστήδιαστολή (α) στην εξίσωση (2) = 1/273,1 = 0,00367 - τιμή ανεξάρτητη από τη φύση του αερίου και ίδια για όλα τα ιδανικά αέρια. p 0 - πίεση σε θερμοκρασία = 0°C. Εισάγοντας απόλυτη θερμοκρασία αντί για θερμοκρασία

βρίσκουμε αντί για τις εξισώσεις (2) και (3):

3) Ο νόμος του Avogadro. Από την εξίσωση (1) είναι σαφές ότι σταθερά αερίου R = p 0 ∙v 0 /273,1 είναι ανάλογο με τον κανονικό όγκο v 0 που καταλαμβάνεται από μια δεδομένη ποσότητα αερίου σε φυσιολογικές συνθήκες(p 0 = 1 Atm και t 0 = 0 ° C = 273,1 ° K), δηλ. είναι αντιστρόφως ανάλογο με την πυκνότητα του αερίου υπό κανονικές συνθήκες D 0. Σύμφωνα με το νόμο του Avogadro, με τα ίδια (p) και (T) όλα τα ιδανικά αέρια περιέχουν ίσους όγκους (για παράδειγμα, ίσο με v 0) ισάριθμοςμόρια. Αντίστροφα: ίσος αριθμός μορίων (για παράδειγμα, 1 mol = 1 γραμμάριο μορίου) οποιουδήποτε αερίου σε τέλεια κατάστασηκαταλαμβάνει τον ίδιο όγκο v 0 υπό κανονικές συνθήκες, ανεξάρτητα από τη φύση του αερίου (1 mole οποιασδήποτε ουσίας περιέχει N 0 = 6,06∙10 23 μεμονωμένα μόρια - αριθμός Avogadro). Διαπιστώθηκε με μεγάλη ακρίβεια ότι κανονικό μοριακό όγκοκάθε ιδανικού αερίου (V 0) m ισούται με 22.412 λίτρα/mol. Από εδώ μπορούμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των μορίων σε 1 cm 3 οποιουδήποτε ιδανικού αερίου υπό κανονικές συνθήκες: n0 = 6,06∙10 23 /10 3 ∙22,416 = 2,705∙10 19 cm 3 (αριθμός Loshmit). Χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1), ο νόμος του Avogadro εκφράζεται στο γεγονός ότι η σταθερά αερίου R όταν υπολογίζεται ανά 1 mol οποιουδήποτε αερίου θα είναι η ίδια, ανεξάρτητα από τη φύση του αερίου. Οτι. Το R είναι μια καθολική σταθερά με διάσταση [ Δουλειά]/[βάρος][θερμοκρασία] και εκφράζει το έργο διαστολής 1 mol ιδανικού αερίου όταν θερμαίνεται κατά 1°C σε p = Const:

αυτό είναι το θέμα φυσική έννοια R.

βρείτε την αριθμητική τιμή

Σε άλλες μονάδες, οι τιμές του R (ανά 1 mole) είναι:

Εκτός από τους τρεις νόμους που συζητήθηκαν, οι ακόλουθοι βασικοί νόμοι προκύπτουν από την εξίσωση (1) της κατάστασης ενός ιδανικού αερίου σε συνδυασμό με τις δύο αρχές της θερμοδυναμικής:

4) Ο νόμος του Joule. Μία από τις γενικές εξισώσεις της θερμοδυναμικής

δίνει μαζί με την εξίσωση (1) παρακάτω συνθήκεςγια την εσωτερική ενέργεια U ενός ιδανικού αερίου:

Δηλαδή το U ενός ιδανικού αερίου είναι συνάρτηση μόνο του T (νόμος Joule). Κατά την ισοθερμική διαστολή ενός ιδανικού αερίου, όλη η απορροφούμενη θερμότητα μετατρέπεται σε εξωτερική εργασία, και με την ισοθερμική συμπίεση, όλη η εργασία που δαπανάται μετατρέπεται σε απελευθερωμένη θερμότητα.

5) Οι θερμοχωρητικότητες ενός ιδανικού αερίου σε σταθερό όγκο c v και σε σταθερή πίεση c p είναι συναρτήσεις του T και μόνο

αλλά για ένα ιδανικό αέριο (p) και (v) εξαρτώνται γραμμικά από το (T), σύμφωνα με τον νόμο Gay-Lussac (4) και (5). Επομένως, οι δεξιές πλευρές των εξισώσεων (9) στρέφονται στο 0 και

Οι θερμοχωρητικότητες cp και cv δεν είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους, αλλά σχετίζονται για ένα ιδανικό αέριο με μια απλή συνθήκη:

που προκύπτουν από νόμοι για το αέριο(Το R έχει τη διάσταση της θερμοχωρητικότητας), δηλ. εάν τα cp και cv σχετίζονται με 1 mol ιδανικού αερίου, τότε διαφέρουν μεταξύ τους κατά 2 (ακριβέστερα, κατά 1,986) - cal/mol∙deg.

Στην κινητική θεωρία, είναι αποδεκτό, σύμφωνα με την αρχή της ομοιόμορφης κατανομής ενέργειας, ότι για κάθε βαθμό ελευθερίας ενός μορίου αερίου υπάρχει ενέργεια k 0 ∙T/2 και για 1 mole υπάρχει

(k 0 = –R/N 0 είναι η σταθερά αερίου που υπολογίζεται για 1 μόριο - Σταθερά Boltzmann ). Ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας (i) είναι ο αριθμός των τύπων ανεξάρτητων μεταξύ τους μηχανική ενέργεια, που διαθέτει ένα μόριο αερίου. Τότε η ενέργεια είναι 1 mole

(περίπου, λαμβάνοντας υπόψη R = 2, c v = i, c p = i+2).

Στο δόγμα του αερίου σημαντικός ρόλοςπαίζει τη σχέση c p /c v = γ; από τις εξισώσεις (11) και (12):

Στην πιο απλή περίπτωση μονοατομικό αέριο(το μόριο του οποίου αποτελείται από 1 άτομο, όπως τα ευγενή αέρια και οι ατμοί πολλών μετάλλων) i είναι το μικρότερο και ισούται με 3: ολόκληρη η ενέργεια του μορίου μειώνεται σε κινητική ενέργειααυτήν μεταφραστικές κινήσεις, το οποίο μπορεί να εκτελεστεί σε τρεις ανεξάρτητες αμοιβαία κάθετες κατευθύνσεις. Επειτα

και το γ έχει τη μεγαλύτερη δυνατή τιμή: γ = 5/3 = 1,667. Για διατομικά αέρια(H 2, O 2, N 2, CO και άλλα) μπορεί να θεωρηθεί I = 3+2 (δύο περιστροφές γύρω από δύο αμοιβαία κάθετους άξονες, κάθετες στη γραμμή που συνδέει και τα δύο άτομα). τότε c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 και γ = 7/5 = 1,40. Για τριατομικό αέριο(H 2 O, CO 2, H 2 S, N 2 O)i = 3+3 (περιστροφή γύρω από τρεις αμοιβαία κάθετους άξονες) και c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 και γ = 4/ 3 = 1,33.

Με περαιτέρω επιπλοκή της δομής του μορίου, δηλ. με αύξηση του i, c v και c p αυξάνεται, και γ = 1 + 2/i και τείνει στο 1. Πίνακας. Το 1 δείχνει ότι όλα όσα λέγονται είναι σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα, ότι το γ είναι πάντα >1 και ≤1,667 και δεν μπορεί να είναι = 1,50 (για i = 4).

Για τα μονατομικά αέρια, τα cv και c p, σύμφωνα με τη θεωρία, πρακτικά δεν αλλάζουν με τη θερμοκρασία (επομένως, για το Ar, οι τιμές των cv και c p βρίσκονται στην περιοχή από 2,98 έως 3,00 μεταξύ θερμοκρασιών = 0° και 1000° ΝΤΟ). Οι αλλαγές στο c v και c p με τη θερμοκρασία εξηγούνται στην κβαντική θεωρία. Ωστόσο, οι θερμικές ικανότητες των αερίων κοντά στο ιδανικό πρακτικά δεν αλλάζουν σε μεγάλα εύρη θερμοκρασιών. Τα c p και y προσδιορίζονται συνήθως πειραματικά και το c v υπολογίζεται από αυτά τα δεδομένα.

Πραγματικά αέρια. Όλα τα αέρια που υπάρχουν στην πραγματικότητα είναι πραγματικά αέρια β. ή m αποκλίνουν από τους νόμους των ιδανικών αερίων, αλλά όσο λιγότερο, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία και τόσο χαμηλότερη είναι η πίεση. Οτι. οι νόμοι των ιδανικών αερίων είναι περιοριστικοί για τα πραγματικά αέρια. Σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, οι αποκλίσεις είναι ελάχιστες για τα αέρια των οποίων οι κρίσιμες θερμοκρασίες είναι εξαιρετικά χαμηλές (τα λεγόμενα μόνιμα αέρια: He, H2, N2, O2, αέρας). για αέρια με σχετικά υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία και για ατμούς (ο ατμός είναι αέριο σε θερμοκρασία κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία), οι αποκλίσεις είναι πολύ σημαντικές. Οι λόγοι για τις αποκλίσεις των πραγματικών αερίων από τους νόμους των αερίων είναι ότι: 1) δρουν σε αυτά διαμοριακές δυνάμεις. Επομένως, τα επιφανειακά μόρια έλκονται σε αέρια με δυνάμεις των οποίων το αποτέλεσμα, που υπολογίζεται ανά μονάδα επιφάνειας και κατευθύνεται κάθετα σε αυτήν, ονομάζεται μοριακή (εσωτερική) πίεση Κ; 2) όχι ολόκληρος ο όγκος του αερίου (v), αλλά μόνο μέρος του (v-b) δίνει ελευθερία για τις κινήσεις των μορίων. μέρος του όγκου (b), το covolum, καταλαμβάνεται, σαν να λέγαμε, από τα ίδια τα μόρια. Εάν το αέριο ήταν ιδανικό, η πίεσή του θα ήταν μεγαλύτερη από την παρατηρούμενη (p) κατά ποσότητα K. επομένως, η εξίσωση κατάστασης ενός πραγματικού αερίου θα γραφεί με τη μορφή.

Σε αυτή τη γενική εξίσωση, τα K και b μπορούν να εξαρτώνται από τα T και v.

Ο Van der Waals έδειξε ότι στην απλούστερη περίπτωση, το K = a/v 2 και b είναι μια σταθερή τιμή ίση με τέσσερις φορές τον όγκο των ίδιων των μορίων αερίου. Έτσι, η εξίσωση van der Waals έχει τη μορφή:

a και b, οι σταθερές van der Waals, όπως δείχνει η εμπειρία, εξακολουθούν να εξαρτώνται από τα T και v, και επομένως η εξίσωση (15) είναι μόνο μια πρώτη προσέγγιση. μεταφέρει καλά φόρμα υψηλής ποιότηταςισόθερμες πραγματικών αερίων.

Στο σχ. 1 φαίνονται για τη θεωρητική ισόθερμη CO 2: τα μέρη σχήματος S αυτών των ισοθερμών αντιστοιχούν θερμοδυναμικά μετασταθερές καταστάσεις.

Στο σχ. Το Σχήμα 2 δείχνει πειραματικές ισόθερμες για το CO 2: τα τμήματα σχήματος S των καμπυλών αντικαθίστανται από ευθύγραμμα μέρη. στα δεξιά αυτών των τμημάτων οι καμπύλες αντιστοιχούν σε αέριο ( ακόρεστος ατμός), στα αριστερά - υγρά και τα ίδια τα ευθύγραμμα τμήματα - η ισορροπία ατμού και υγρού. Η εξίσωση (15), σε πλήρη συμφωνία με την εμπειρία, δείχνει ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας οι διαστάσεις των ευθύγραμμων τμημάτων στις ισόθερμες γίνονται όλο και μικρότερες (Εικ. 2) και, τέλος, σε μια ορισμένη θερμοκρασία ίση με την κρίσιμη θερμοκρασία, το μήκος του αυτό το τμήμα γίνεται 0. Σε υψηλότερη θερμοκρασία Σε μια κρίσιμη θερμοκρασία, ένα αέριο δεν μπορεί να μετατραπεί σε υγρό υπό οποιαδήποτε πίεση: το υγρό παύει να υπάρχει. Οτι. Η εξίσωση van der Waals καλύπτει δύο καταστάσεις - την αέρια και την υγρή - και χρησιμεύει ως βάση για το δόγμα της συνέχειας της μετάβασης μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων. Οι κρίσιμες θερμοκρασίες για ορισμένα αέρια είναι παρακάτω τιμές: +360°C για το H2O, +31°C για το CO2, –241°C για το H2 και –254°C για το He.

Υγροποίηση αερίου. Οποιοδήποτε αέριο μπορεί να μετατραπεί σε υγρό με κατάλληλη πίεση, αφού πρώτα το κρυώσει κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία. Οι πιέσεις που απαιτούνται για την υγροποίηση του CO 2 (σε Atm) στο διαφορετικές θερμοκρασίεςδίνονται στον πίνακα. 2.

Είναι σαφές ότι αυτές οι πιέσεις είναι πιέσεις κορεσμένο ατμόυγρό διοξείδιο του άνθρακα και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία.

Για την ισχυρή προψύξη του αερίου για υγροποίηση, οι τεχνικές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν το φαινόμενο Joule-Thomson, το οποίο συνίσταται στο γεγονός ότι κατά την αδιαβατική διαστολή (για παράδειγμα, κατά την απότομη πτώση της πίεσης όταν το αέριο ρέει έξω από την οπή) εσωτερική ενέργειαΤο αέριο αυξάνεται κατά ΔU, και το Τ αλλάζει κατά ΔΤ, και θερμοδυναμικά

Στην περίπτωση των ιδανικών αερίων, ΔU = 0 και ΔΤ = 0 [καθώς, σύμφωνα με την εξίσωση (1), T∙dv/dT – v = 0].

Για πραγματικά αέρια ΔΤ ≠ 0, δηλαδή συμβαίνει ψύξη ή θέρμανση, ανάλογα με το αν T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(με επαρκή προσέγγιση). Οτι. σε επαρκώς υψηλές θερμοκρασίες, όλα τα αέρια θερμαίνονται κατά την αδιαβατική διαστολή (ΔΤ > 0, αφού a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает σημείο αναστροφής T i , που καθορίζεται από την συνθήκη

κάτω από το οποίο τα αέρια αρχίζουν να ψύχονται κατά τη διάρκεια της αδιαβατικής διαστολής (a/R∙T> b στο T< 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.

Αντίστοιχα κράτη. Κρίσιμη θερμοκρασία Tk, πίεση pk και όγκος vk m.b. που εκφράζεται ως σταθερές van der Waals a, b και R ως εξής:

Αν πάρουμε τις κρίσιμες τιμές, αντίστοιχα, ως μονάδες μέτρησης για τα T, p και v, τότε αντί για T, p και v η κατάσταση θα χαρακτηρίζεται από δεδομένες τιμές:

Αν εισάγουμε τα θ, π και ϕ στην εξίσωση van der Waals (15), τότε οι σταθερές a, b και R θα ακυρωθούν και θα πάρουμε μειωμένη εξίσωση κατάστασης, με αριθμητικούς συντελεστές

δεν περιέχει ποσότητες που εξαρτώνται από τη φύση της ουσίας. Η εξίσωση (19), ωστόσο, προϋποθέτει την ορθότητα της εξίσωσης van der Waals, και επομένως οι αποκλίσεις από αυτήν είναι συχνά αρκετά σημαντικές, ειδικά στην περίπτωση των σχετικών ουσιών. Το δόγμα των αντίστοιχων καταστάσεων (οι λεγόμενες καταστάσεις που αντιστοιχούν στα ίδια θ, π και ϕ) καθιστά δυνατή την εύρεση μεγάλος αριθμόςκαθολικές εξαρτήσεις παρόμοιες με την εξίσωση (19).

Εφαρμογή αερίων. Συμπιεσμένα και υγροποιημένα αέριαχρησιμοποιείται στην τεχνολογία όπου απαιτούνται σημαντικές ποσότητες αερίου σε μικρό όγκο· Έτσι, το CO 2 χρησιμοποιείται για ανθρακούχο νερό, Cl 2 και φωσγένιο - στη στρατιωτική χημεία, O 2 - για ιατρικούς σκοπούς, πεπιεσμένο αέρα - για εκκίνηση κινητήρων εσωτερικής καύσης. Ιδιαίτερο νόημαυγροποιημένα αέρια (CO 2 και NH 3) χρησιμοποιούνται στην ψύξη, σε ψυκτικές μηχανές (για παράδειγμα, για την απόκτηση τεχνητός πάγος). Ελαφρά αέρια (H 2, φωτιστικό αέριο, σε ΠρόσφαταΌχι) χρησιμοποιείται για το γέμισμα μπαλονιών. Αδρανή αέρια (N 2 και ευγενή αέρια, ειδικά Ar) χρησιμοποιούνται για την πλήρωση λαμπτήρων πυρακτώσεως μισού watt. Ξεχωρίζει η χρήση αερίου για φωτισμό ή ως καύσιμο: φωτισμός, ρεύμα, αέρια νερού και άλλα.

Τα υγρά μπορούν να υπάρχουν μόνο σε θερμοκρασίες κάτω από την κρίσιμη. Επομένως, για να υγροποιηθεί ένα αέριο, πρέπει πρώτα να ψυχθεί κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία και στη συνέχεια να υποβληθεί σε συμπίεση. Όπως φαίνεται από τον Πίνακα XIII, αέρια όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το υδρογόνο και ιδιαίτερα το ήλιο απαιτούν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για υγροποίηση.

Πίνακας XIII (βλ. σάρωση) Κρίσιμες θερμοκρασίες και σημεία βρασμού (σε ατμοσφαιρική πίεση) για ορισμένα αέρια

Μία από τις πρώτες βιομηχανικές μεθόδους υγροποίησης αερίων (μέθοδος Linde, 1895) χρησιμοποίησε το φαινόμενο Joule-Thomson.

Ένα διάγραμμα της μηχανής Linde φαίνεται στο Σχήμα 6.21. Συμπιέζεται από τον συμπιεστή Κ και ως αποτέλεσμα θερμαίνεται κάπως, το αέριο περνά από το ψυγείο Χ, όπου εκπέμπει θερμότητα στο τρεχούμενο νερό και ψύχεται στην αρχική του θερμοκρασία. Στη συνέχεια, το αέριο περνά μέσα από το πηνίο στη βαλβίδα γκαζιού (βρύση) και διαστέλλεται στον δέκτη Β με διαφορά πίεσης περίπου εκατοντάδων ατμοσφαιρών σε μία ατμόσφαιρα. Αμέσως μετά την έναρξη της εγκατάστασης, η πτώση της θερμοκρασίας δεν είναι αρκετή για να υγροποιήσει το αέριο. Το ελαφρώς ψυχόμενο αέριο στέλνεται πίσω στον συμπιεστή μέσω του πηνίου και τα δύο πηνία βρίσκονται σε στενή θερμική επαφή (συνήθως το ένα πηνίο εισάγεται στο άλλο) σε έναν εναλλάκτη θερμότητας με αντίθετη ροή έχοντας περισσότερα χαμηλή θερμοκρασία, ψύχει την αντίθετη ροή αερίου. Προφανώς, στον δεύτερο κύκλο το αέριο θα πλησιάσει τη βαλβίδα Α με θερμοκρασία χαμηλότερη από αυτή

Αυτό συνέβη κατά το πρώτο πέρασμά του, και μετά το γκάζι η θερμοκρασία θα πέσει ακόμα περισσότερο. Με κάθε κύκλο, ως αποτέλεσμα του στραγγαλισμού και της δράσης του εναλλάκτη θερμότητας, η θερμοκρασία του αερίου θα μειώνεται όλο και περισσότερο και τελικά θα πέφτει τόσο πολύ που μέρος του αερίου, μετά τη διαστολή, μετατρέπεται σε υγρό και συσσωρεύεται στον δέκτη Β. , από όπου το υγρό μπορεί να στραγγιστεί σε ένα δοχείο Dewar μέσω μιας βρύσης

Η περιγραφόμενη αρχή της ανταλλαγής θερμότητας με αντίθετο ρεύμα χρησιμοποιείται σε όλες τις μηχανές υγροποίησης αερίων, αν και ο σχεδιασμός τέτοιων εναλλάκτη θερμότητας μπορεί να είναι εξαιρετικά διαφορετικός.

Μια άλλη βιομηχανική μέθοδος υγροποίησης αερίων (μέθοδος Claude, 1902) βασίζεται στην πρόσθετη ψύξη του αερίου κατά την εκτέλεση εργασιών. Το συμπιεσμένο αέριο μετά τη βαλβίδα (Εικ. 6.21) αποστέλλεται σε μια μηχανή εμβόλου (διαστολέας), όπου, εκτονώνοντας, λειτουργεί για να κινήσει το έμβολο λόγω της κινητικής ενέργειας των μορίων (ο διαστολέας δεν φαίνεται στο σχήμα). . Ως αποτέλεσμα, η επίδραση της μείωσης της θερμοκρασίας του αερίου γίνεται πιο σημαντική από ό,τι στη μηχανή Linde. Αυτή η μέθοδος βελτιώθηκε από τον Σοβιετικό επιστήμονα P. L. Kapitsa (1934), ο οποίος αντί για διαστολέα εμβόλου χρησιμοποίησε έναν μικρό στρόβιλο (turboexpander) που κινείται από ψυχρό αέριο (ο ρότορας διαστολής είναι μικρός σε μέγεθος και το βάρος του μετράται μόνο σε εκατοντάδες γραμμάρια ).

Επί του παρόντος, μηχανές με διαστολή σε διαστολείς χρησιμοποιούνται στις περισσότερες περιπτώσεις για την υγροποίηση αερίων. Κατά την υγροποίηση του ηλίου, χρησιμοποιείται άζωτο, αντί για υδρογόνο, για προψύξη σε μηχανές με στροβιλοδιαστολείς, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την παραγωγικότητα και οικονομική αποτελεσματικότητασυσκευές. Επιπλέον, με την ίδια απόδοση, οι μηχανές με στροβιλοδιαστολείς είναι αρκετές φορές μικρότερες από τις μηχανές που λειτουργούν σύμφωνα με το σχήμα Linde.

Οδηγίες

Μοιάζει με υγροποιημένο φυσικό αέριο(LNG) είναι ένα άχρωμο, άοσμο υγρό, που αποτελείται από 75-90% και έχει πολύ σημαντικές ιδιότητες: V υγρή κατάστασηδεν είναι εύφλεκτο, μη επιθετικό, κάτι που είναι εξαιρετικά σημαντικό κατά τη μεταφορά. Η διαδικασία υγροποίησης LNG έχει χαρακτήρα όπου κάθε νέο στάδιο σημαίνει συμπίεση κατά 5-12 φορές, ακολουθούμενη από ψύξη και μετάβαση στο επόμενο στάδιο. Το LNG γίνεται υγρό με την ολοκλήρωση του τελικού σταδίου συμπίεσης.

Εάν το αέριο πρέπει να μεταφερθεί σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, τότε είναι πολύ πιο κερδοφόρο να χρησιμοποιείτε ειδικά πλοία - δεξαμενόπλοια αερίου. Ένας αγωγός τοποθετείται από την τοποθεσία φυσικού αερίου στην πλησιέστερη κατάλληλη τοποθεσία στην ακτή της θάλασσας και ένας τερματικός σταθμός κατασκευάζεται στην ακτή. Εκεί, το αέριο συμπιέζεται σε μεγάλο βαθμό και ψύχεται, μετατρέποντάς το σε υγρή κατάσταση και αντλείται σε ισοθερμικά δοχεία βυτιοφόρων (σε θερμοκρασίες της τάξης των -150°C).

Αυτή η μέθοδος μεταφοράς έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους αγωγούς. Πρώτον, ένα από αυτά μπορεί να μεταφέρει τεράστια ποσότητα αερίου σε μία πτήση, επειδή η πυκνότητα της ουσίας σε υγρή κατάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη. Δεύτερον, το κύριο κόστος δεν αφορά τη μεταφορά, αλλά τη φόρτωση και εκφόρτωση του προϊόντος. Τρίτον, η αποθήκευση και η μεταφορά του υγροποιημένου αερίου είναι πολύ πιο ασφαλής από το συμπιεσμένο αέριο. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το μερίδιο του φυσικού αερίου που μεταφέρεται σε υγροποιημένη μορφή θα αυξάνεται σταθερά σε σύγκριση με τις προμήθειες με αγωγούς.

Υγροποιημένο φυσικό αέριοσε ζήτηση σε διάφορες περιοχέςανθρώπινη δραστηριότητα - στη βιομηχανία, σε οδική μεταφορά, στην ιατρική, σε γεωργία, στην επιστήμη κ.λπ. Τα υγροποιημένα υγρά έχουν αποκτήσει μεγάλη δημοτικότητα αέριοΈχουμε κερδίσει λόγω της ευκολίας χρήσης και μεταφοράς τους, καθώς και της φιλικότητας προς το περιβάλλον και του χαμηλού κόστους.

Οδηγίες

Πριν από την υγροποίηση των υδρογονανθράκων αέριοκαι πρέπει πρώτα να καθαριστεί και να αφαιρεθούν οι υδρατμοί. Ανθρακικός αέριοαφαιρείται χρησιμοποιώντας ένα σύστημα μοριακού φίλτρου τριών σταδίων. Καθαρίστηκε με αυτόν τον τρόπο αέριοσε όχι μεγάλες ποσότητεςχρησιμοποιείται ως αναγέννηση. Ανακτητός αέριοείτε καίγεται είτε χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας σε γεννήτριες.

Η ξήρανση γίνεται με τη χρήση 3 μοριακών φίλτρων. Ένα φίλτρο απορροφά τους υδρατμούς. Το άλλο στεγνώνει αέριο, το οποίο στη συνέχεια περνά από το τρίτο φίλτρο. Για να μειώσετε τη θερμοκρασία αέριοπέρασε από ψύκτη νερού.

Η μέθοδος του αζώτου περιλαμβάνει την παραγωγή υγροποιημένου υδρογονάνθρακα αέριοκαι από οποιαδήποτε αέριονέες πηγές. Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου περιλαμβάνουν την απλότητα της τεχνολογίας, το επίπεδο ασφάλειας, την ευελιξία, την ευκολία και το χαμηλό κόστος λειτουργίας. Οι περιορισμοί αυτής της μεθόδου είναι η ανάγκη για πηγή ηλεκτρικής ενέργειας και το υψηλό κόστος κεφαλαίου.

Με μικτή μέθοδο παραγωγής υγροποιημένου υγρού αέριοκαι ένα μείγμα αζώτου και χρησιμοποιείται ως ψυκτικό μέσο. Λαμβάνω αέριοεπίσης από οποιεσδήποτε πηγές. Αυτή η μέθοδος χαρακτηρίζεται από ευέλικτους κύκλους παραγωγής και χαμηλό μεταβλητό κόστος παραγωγής. Σε σύγκριση με τη μέθοδο υγροποίησης του αζώτου, το κόστος κεφαλαίου είναι σημαντικότερο. Απαιτείται επίσης μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Πηγές:

Τι είναι η υγροποίηση αερίου;
Υγροποιημένο αέριο: παραλαβή, αποθήκευση και μεταφορά
τι είναι το υγροποιημένο αέριο

Το φυσικό αέριο εξάγεται από τα βάθη της Γης. Αυτό το ορυκτό αποτελείται από ένα μείγμα αερίων υδρογονανθράκων, το οποίο σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της αποσύνθεσης οργανική ύλη V ιζηματογενή πετρώματα φλοιός της γης.

Ποιες ουσίες περιλαμβάνονται στο φυσικό αέριο;

Το 80-98% του φυσικού αερίου αποτελείται από (CH4). Ακριβώς φυσικοχημικά χαρακτηριστικάΤο μεθάνιο καθορίζει τα χαρακτηριστικά του φυσικού αερίου. Μαζί με το μεθάνιο, το φυσικό αέριο περιέχει ενώσεις του ίδιου δομικός τύπος– αιθάνιο (C2H6), προπάνιο (C3H8) και βουτάνιο (C4H10). Σε ορισμένες περιπτώσεις, σε μικρές ποσότητες, από 0,5 έως 1%, στο φυσικό αέριο βρίσκονται τα ακόλουθα: (C5H12), (C6H14), επτάνιο (C7H16), (C8H18) και εννεάνιο (C9H20).

Το φυσικό αέριο περιλαμβάνει επίσης ενώσεις υδρόθειου (H2S), διοξειδίου του άνθρακα (CO2), αζώτου (N2), ηλίου (He) και υδρατμών. Η σύνθεση του φυσικού αερίου εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των κοιτασμάτων όπου παράγεται. Φυσικό αέριο που παράγεται σε καθαρό κοιτάσματα αερίου, αποτελείται κυρίως από μεθάνιο.

Χαρακτηριστικά εξαρτημάτων φυσικού αερίου

Όλες οι χημικές ενώσεις που συνθέτουν το φυσικό αέριο έχουν μια σειρά από ιδιότητες που είναι χρήσιμες διάφορα πεδίαβιομηχανία και στην καθημερινή ζωή.

Το μεθάνιο είναι ένα άχρωμο, άοσμο, εύφλεκτο αέριο που είναι ελαφρύτερο από τον αέρα. Χρησιμοποιείται στη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή ως καύσιμο. Το αιθάνιο είναι ένα άχρωμο, άοσμο, εύφλεκτο αέριο που είναι ελαφρώς βαρύτερο από τον αέρα. Βασικά, το αιθυλένιο λαμβάνεται από αυτό. Το προπάνιο είναι ένα δηλητηριώδες, άχρωμο και άοσμο αέριο. Οι ιδιότητές του είναι παρόμοιες με το βουτάνιο. Το προπάνιο χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στη συγκόλληση και στην επεξεργασία παλιοσίδερων. Το υγροποιημένο και το βουτάνιο χρησιμοποιούνται για την αναπλήρωση αναπτήρων και κυλίνδρων αερίου. Το βουτάνιο χρησιμοποιείται σε μονάδες ψύξης.

Πεντάνιο, εξάνιο, επτάνιο, οκτάνιο και εννεάνιο - . Το πεντάνιο βρίσκεται στα καύσιμα κινητήρων σε μικρές ποσότητες. Το εξάνιο χρησιμοποιείται επίσης στην εκχύλιση φυτικά έλαια. Το επτάνιο, το εξάνιο, το οκτάνιο και το εννεάνιο είναι καλοί οργανικοί διαλύτες.

Το υδρόθειο είναι ένα δηλητηριώδες, άχρωμο βαρύ αέριο, όπως τα σάπια αυγά. Αυτό το αέριο, ακόμη και σε μικρές συγκεντρώσεις, προκαλεί παράλυση του οσφρητικού νεύρου. Αλλά λόγω του γεγονότος ότι το υδρόθειο έχει καλές αντισηπτικές ιδιότητες, χρησιμοποιείται σε μικρές δόσεις στην ιατρική για λουτρά υδρόθειου.

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα μη εύφλεκτο, άχρωμο, άοσμο αέριο με ξινή γεύση. Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται σε Βιομηχανία τροφίμων: στην παραγωγή ανθρακούχων ποτών για κορεσμό τους με διοξείδιο του άνθρακα, για κατάψυξη τροφίμων, για ψύξη εμπορευμάτων κατά τη μεταφορά κ.λπ.

Το άζωτο είναι ένα αβλαβές, άχρωμο, άγευστο και άοσμο αέριο. Χρησιμοποιείται στην παραγωγή ορυκτών λιπασμάτων, χρησιμοποιούνται στην ιατρική κ.λπ.

Το ήλιο είναι ένα από τα ελαφρύτερα αέρια. Είναι άχρωμο και άοσμο, δεν καίγεται και δεν είναι τοξικό. Το ήλιο χρησιμοποιείται σε διάφορες βιομηχανίες - για ψύξη πυρηνικούς αντιδραστήρες, γεμίζοντας στρατοσφαιρικά μπαλόνια.

Το πειραματικό γεγονός της ψύξης μιας ουσίας κατά την εξάτμιση ήταν γνωστό εδώ και πολύ καιρό και χρησιμοποιήθηκε ακόμη και πρακτικά (για παράδειγμα, η χρήση πορωδών δοχείων για τη διατήρηση της φρεσκάδας του νερού). Αλλά η πρώτη επιστημονική μελέτη αυτού του ζητήματος έγινε από τον Gian Francesco Cigna και περιγράφηκε στο έργο του το 1760 «De frigore ex evaporatione» («Σε κρύο λόγω εξάτμισης»).

Ο Cigna απέδειξε ότι όσο πιο γρήγορα γίνεται η εξάτμιση, τόσο πιο έντονη είναι η ψύξη και ο Meran έδειξε ότι αν φυσήξεις σε βρεγμένη σφαίρα θερμομέτρου, η πτώση της θερμοκρασίας θα είναι μεγαλύτερη από ό,τι στο ίδιο πείραμα με μια σφαίρα ξηρού θερμομέτρου. Ο Antoine Baume (1728-1804) ανακάλυψε ότι όταν εξατμίζεται ο θειικός αιθέρας, η ψύξη εμφανίζεται πιο έντονα από ότι όταν το νερό εξατμίζεται. Με βάση αυτά τα δεδομένα, ο Tiberio Cavallo δημιούργησε μια μηχανή ψύξης το 1800 και ο Wollaston κατασκεύασε το διάσημο κρυοφόρα του το 1810, το οποίο χρησιμοποιείται ακόμα στην εποχή μας. Με βάση αυτή τη συσκευή, το υγρόμετρο Daniel δημιουργήθηκε το 1820. Η ψυκτική μηχανή έγινε πρακτικά εφαρμόσιμη μόνο μετά το 1859, δηλαδή αφού ο Fernand Carré (1824-1894) δημοσίευσε τη μέθοδο παραγωγής πάγου με εξάτμιση αιθέρα, ο οποίος αργότερα αντικαταστάθηκε από αμμωνία. Το 1871, ο Karl Linde (1842–1934) περιέγραψε μια μηχανή ψύξης που είχε δημιουργήσει, στην οποία η ψύξη επιτυγχανόταν με διαστολή αερίου. Το 1896, συνδύασε αυτό το μηχάνημα με έναν εναλλάκτη θερμότητας αντίθετης ροής, που περιγράφεται στα μαθήματα φυσικής, και αυτό του επέτρεψε να αποκτήσει υγρό υδρογόνο. Τα πειραματικά αποτελέσματα που είχαν επιτύχει οι φυσικοί εκείνη την εποχή άρχισαν να εισάγονται στη βιομηχανία.

Το πρόβλημα της υγροποίησης του αερίου έχει μια ιστορία αιώνων, που ξεκίνησε στο δεύτερο μισό του XVIII αιώνα. Όλα ξεκίνησαν με την υγροποίηση της αμμωνίας με απλή ψύξη, η οποία πραγματοποιήθηκε από τον van Marum, τον θειικό ανυδρίτη - Monge and Clouet, το χλώριο - Northmore (1805) και την υγροποίηση της αμμωνίας με τη μέθοδο συμπίεσης που πρότεινε ο Baccelli (1812).

Η καθοριστική συμβολή στη λύση αυτού του προβλήματος έγινε ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από τους Charles Cagniard de Latour (1777-1859) και Michael Faraday (1791-1867).

Σε μια σειρά εργασιών που δημοσιεύθηκαν το 1822 και το 1823, ο Cagniard de Latour περιέγραψε τα πειράματα που πραγματοποίησε για να προσδιορίσει την ύπαρξη ενός υγρού (όπως γίνεται διαισθητικά) κάποιας περιοριστικής διαστολής, πέρα από το οποίο, ανεξάρτητα από την εφαρμοζόμενη πίεση, το σύνολο το υγρό μεταβαίνει σε κατάσταση ατμού. Για το σκοπό αυτό, ο de Latour τοποθέτησε σε ένα καζάνι το ένα τρίτο γεμάτο με οινόπνευμα, πέτρινη μπάλακαι άρχισε να ζεσταίνει σταδιακά το λέβητα. Από τον θόρυβο που έκανε η μπάλα που γυρνούσε μέσα στο καζάνι, ο de La Tour κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία όλο το αλκοόλ είχε εξατμιστεί. Τα πειράματα επαναλήφθηκαν με μικρούς σωλήνες. Αφαιρέστηκε αέρας από τους σωλήνες και στη συνέχεια γεμίστηκαν κατά τα 2/5 με το υπό δοκιμή υγρό (οινόπνευμα, αιθέρας, βενζίνη) και θερμάνθηκαν σε φλόγα. Καθώς η θερμοκρασία αυξανόταν, το υγρό γινόταν όλο και πιο ευκίνητο και η διεπαφή μεταξύ υγρού και ατμού γινόταν όλο και πιο θολή, ώσπου σε μια ορισμένη θερμοκρασία εξαφανίστηκε εντελώς και όλο το υγρό φαινόταν να έχει μετατραπεί σε ατμό. Συνδέοντας αυτούς τους σωλήνες σε ένα μανόμετρο με πεπιεσμένο αέρα, ο Cagniard de Latour μπόρεσε να μετρήσει την πίεση που δημιουργήθηκε στον σωλήνα τη στιγμή που η διεπαφή μεταξύ υγρού και ατμού εξαφανίστηκε και την αντίστοιχη θερμοκρασία. Σε αντίθεση με τη δημοφιλή πεποίθηση, ο Cagniard de Latour όχι μόνο δεν προσδιόρισε την κρίσιμη θερμοκρασία για το νερό σε αυτά τα πειράματα, αλλά δεν κατάφερε καν να εξατμίσει πλήρως το νερό, επειδή οι σωλήνες πάντα έσκαγαν πριν επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Ένα πιο συγκεκριμένο αποτέλεσμα περιλήφθηκε στα πειράματα του Faraday που έγιναν το 1823 με λυγισμένους γυάλινους σωλήνες, ο μακρύς βραχίονας των οποίων ήταν σφραγισμένος. Ο Faraday τοποθέτησε μια ουσία σε αυτόν τον βραχίονα που, όταν θερμανθεί, θα παρήγαγε το υπό μελέτη αέριο, στη συνέχεια έκλεισε τον δεύτερο βραχίονα του σωλήνα και βύθισε τον σωλήνα στο ψυκτικό μείγμα. Εάν, αφού γίνει αυτό, η ουσία θερμανθεί στον μακρύ βραχίονα του σωλήνα, τότε σχηματίζεται ένα αέριο, η πίεση του οποίου αυξάνεται σταδιακά και σε πολλές περιπτώσεις η υγροποίηση του αερίου συνέβη στον κοντό σωλήνα του Faraday. Έτσι, με θέρμανση διττανθρακικού νατρίου, ο Faraday έλαβε υγρό διοξείδιο του άνθρακα. με τον ίδιο τρόπο έλαβε υγρό υδρόθειο, υδροχλώριο, θειικός ανυδρίτηςκαι τα λοιπά.

Πειράματα των de La Tour και Faraday έδειξαν ότι ήταν δυνατό να υγροποιηθεί το αέριο υποβάλλοντάς το σε υψηλή πίεση. Πολλοί φυσικοί άρχισαν να εργάζονται προς αυτή την κατεύθυνση, ιδιαίτερα ο Johann Natterer (1821–1901). Ωστόσο, ορισμένα αέρια (υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο) δεν μπορούσαν να υγροποιηθούν με αυτόν τον τρόπο. Το 1850, ο Verthelot υπέβαλε οξυγόνο σε πίεση 780 atm, αλλά δεν μπόρεσε να επιτύχει υγροποίηση. Αυτό ανάγκασε τον Verthelot να συμμετάσχει στη γνώμη του Faraday, ο οποίος, βέβαιος ότι αργά ή γρήγορα θα ήταν δυνατό να ληφθεί στερεό υδρογόνο, πίστευε ότι η πίεση από μόνη της δεν ήταν αρκετή για να υγροποιήσει ορισμένα αέρια, τα οποία τότε ονομάζονταν «μόνιμα» ή «αδάμαστα».

Το ίδιο 1845, όταν ο Faraday εξέφρασε αυτή την ιδέα, ο Regnault, σημειώνοντας ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες διοξείδιο του άνθρακαέχει μια ανώμαλη συμπιεστότητα και όταν πλησιάζει τους 100 ° C αρχίζει να ακολουθεί το νόμο του Boyle, προέβαλε την υπόθεση ότι για κάθε αέριο υπάρχει μια συγκεκριμένη περιοχή θερμοκρασίας όπου υπακούει στο νόμο του Boyle. Το 1860, η ιδέα του Regnault αναπτύχθηκε και τροποποιήθηκε από τον Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), σύμφωνα με την οποία για όλα τα υγρά θα έπρεπε να υπάρχει « απόλυτη θερμοκρασίασημείο βρασμού», πάνω από το οποίο μπορεί να υπάρχει μόνο σε αέρια κατάσταση, όποια κι αν είναι η πίεση.

Η μελέτη αυτού του ζητήματος ξανάρχισε το 1863 νέα μορφή Thomas Andrews (1813-1885). Το 1863, ο Andrews εισήγαγε διοξείδιο του άνθρακα σε έναν τριχοειδή σωλήνα, παγιδεύοντας τον όγκο του αερίου με μια στήλη υδραργύρου. Χρησιμοποιώντας μια βίδα, όρισε αυθαίρετα την πίεση κάτω από την οποία βρισκόταν το αέριο, ενώ ταυτόχρονα άλλαζε σταδιακά τη θερμοκρασία. Έχοντας επιτύχει μερική υγροποίηση του αερίου απλά αυξάνοντας την πίεση και στη συνέχεια θερμάνοντας αργά τον σωλήνα, ο Andrews παρατήρησε τα ίδια φαινόμενα που είχε μελετήσει ο Cagniard de Latour 30 χρόνια νωρίτερα. Όταν η θερμοκρασία του διοξειδίου του άνθρακα έφτασε τους 30,92°C, η διεπαφή μεταξύ υγρού και αερίου εξαφανίστηκε και δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί καμία πίεση για την επιστροφή του υγρού διοξειδίου του άνθρακα. Στη λεπτομερή εργασία του του 1869, ο Andrews πρότεινε να ονομαστεί η θερμοκρασία 30,92 ° C το «κρίσιμο σημείο» για το διοξείδιο του άνθρακα. Χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο, προσδιόρισε τα κρίσιμα σημεία για το υδροχλώριο, την αμμωνία, τον θειικό αιθέρα και το οξείδιο του αζώτου. Πρότεινε τη διατήρηση του όρου «ατμός» για αέριες ουσίες που βρίσκονται σε θερμοκρασία χαμηλότερη κρίσιμο σημείο, και ο όρος «αέριο» εφαρμόζεται σε ουσίες σε θερμοκρασία πάνω από το κρίσιμο σημείο. Αυτή η άποψη του Andrews επιβεβαιώθηκε από τα ήδη αναφερθέντα πειράματα του Natterer, που πραγματοποιήθηκαν από αυτόν από το 1844 έως το 1855, στα οποία τα μόνιμα αέρια υποβλήθηκαν σε πίεση έως και 2790 atm χωρίς υγροποίηση, και πολλά παρόμοια πειράματα που ξεκίνησαν το 1870 από τον Emil Amaga. (1841– 1915), στο οποίο επιτεύχθηκαν πιέσεις έως και 3000 atm.

Ολα αυτά αρνητικά αποτελέσματαπειράματα επιβεβαίωσαν την υπόθεση του Andrews ότι τα μόνιμα αέρια είναι ουσίες για τις οποίες η κρίσιμη θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από τις τιμές που παραβιάστηκαν εκείνη τη στιγμή, έτσι ώστε η υγροποίησή τους να μπορεί να πραγματοποιηθεί με προκαταρκτική βαθιά ψύξη, ακολουθούμενη πιθανώς από συμπίεση. Αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε έξοχα το 1877 από τον Louis Calet (1832-1913) και τον Raoul Pictet (1846-1929), οι οποίοι ανεξάρτητα κατάφεραν να επιτύχουν την υγροποίηση του οξυγόνου, του υδρογόνου, του αζώτου και του αέρα μετά από προκαταρκτική ισχυρή ψύξη. Το έργο των Calhete και Pictet συνεχίστηκε από άλλους φυσικούς, αλλά μόνο η έλευση της ψυκτικής μηχανής Linde, την οποία έχουμε ήδη αναφέρει, έκανε τις μεθόδους υγροποίησης πρακτικά προσιτές, επιτρέποντας την παραγωγή υγροποιημένων αερίων σε μεγάλες ποσότητες και την ευρεία χρήση τους σε επιστημονική έρευνακαι στη βιομηχανία.

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΡΜΟΠΟΙΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΕΡΙΩΝ

Οι μέθοδοι για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας ήταν δύσκολο να εφαρμοστούν αέριες ουσίεςλόγω μικρού ειδικό βάροςαέρια και ατμοί. Επομένως σε αρχές XIXαιώνα, η Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού ανακοίνωσε διαγωνισμό για την καλύτερη μέθοδο μέτρησης της ειδικής θερμοχωρητικότητας του αερίου. Το βραβείο απονεμήθηκε στους François Delaroche (? - 1813;) και Jacques Bérard (1789-1869), οι οποίοι πρότειναν να τοποθετηθεί ένα πηνίο σε ένα θερμιδόμετρο μέσα από το οποίο θα ρέει αέριο με σταθερή πίεση σε γνωστή θερμοκρασία. Αυτή η μέθοδος στην πραγματικότητα δεν ήταν νέα. είχε προταθεί 20 χρόνια νωρίτερα από τον Λαβουαζιέ. Όπως και να έχει, τα αποτελέσματα των Delaroche και Berard παρουσιάστηκαν σε μαθήματα φυσικής για μισό αιώνα. Το πλεονέκτημα αυτών των επιστημόνων είναι, καταρχάς, ότι επιστήθηκε η προσοχή στην ανάγκη να γίνει διάκριση μεταξύ των ειδικών θερμοχωρητικοτήτων σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο. Η τελευταία τιμή είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί λόγω της μικρής θερμοχωρητικότητας του αερίου σε σύγκριση με τη θερμοχωρητικότητα της δεξαμενής που το περιέχει.

Αλλά αρκετά χρόνια πριν από την εμφάνιση των έργων των Delaroche και Bérard, ξεκίνησε η έρευνα για ένα περίεργο φαινόμενο που σημειώθηκε από τον Erasmus Darwin (1731-1802) το 1788 και στη συνέχεια το 1802 από τον Dalton, το οποίο συνίσταται στο γεγονός ότι η συμπίεση του αέρα το προκαλεί. να ζεσταθεί και η διαστολή οδηγεί σε ψύξη. Η αρχή της μελέτης αυτού του φαινομένου θεωρείται συνήθως το πείραμα του Gay-Lussac (1807), που επαναλήφθηκε από τον Joule το 1845. Ο Gay-Lussac συνέδεσε δύο κυλίνδρους με έναν σωλήνα, όπως ακριβώς έκανε και ο Guericke. ένας από τους κύλινδρους ήταν γεμάτος με αέρα και ο δεύτερος ήταν άδειος. Ο αέρας μπορούσε να ρέει ελεύθερα από έναν γεμάτο κύλινδρο σε έναν άδειο. Ως αποτέλεσμα, καθιερώθηκε μείωση της θερμοκρασίας του πρώτου κυλίνδρου και αύξηση της θερμοκρασίας του δεύτερου. Αυτή η θερμική συμπεριφορά του αέρα μας οδήγησε να πιστέψουμε ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα σε σταθερή πίεση πρέπει να είναι μεγαλύτερη από ό,τι σε σταθερό όγκο, ανεξάρτητα από τη θεωρία της φύσης της θερμότητας που ακολουθούμε. Πράγματι, εάν ένα αέριο ψύχεται καθώς διαστέλλεται, τότε επιτρέποντάς του να διαστέλλεται όταν θερμαίνεται, είναι απαραίτητο να του μεταδοθεί πρόσθετη θερμότητα προκειμένου να αντισταθμιστεί η ψύξη που συνοδεύει τη διαστολή.

Με βάση αυτά τα πειραματικά δεδομένα, ο Laplace το 1816 κατέληξε στη λαμπρή ιδέα ότι η γνωστή ασυμφωνία μεταξύ της τιμής της ταχύτητας του ήχου που λαμβάνεται από το πείραμα και της θεωρητικής τιμής του που προκύπτει από το νόμο του Νεύτωνα μπορεί να εξηγηθεί από την αλλαγή της θερμοκρασίας που παρουσιάζουν τα στρώματα του αέρα σε εναλλασσόμενη συμπίεση και αραίωση. Με βάση αυτές τις θεωρητικές προϋποθέσεις, ο Laplace διόρθωσε τον τύπο του Νεύτωνα εισάγοντας σε αυτόν έναν συντελεστή ίσο με την αναλογία των ειδικών θερμοχωρητικοτήτων σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο για τον αέρα. Η σύγκριση της πειραματικής τιμής της ταχύτητας του ήχου στον αέρα και της θεωρητικής τιμής που προέκυψε από τον τύπο του Νεύτωνα κατέστησε δυνατή την εύρεση του λόγου των ειδικών θερμικών χωρητικοτήτων. Έτσι έμμεσαοι φυσικοί κατάφεραν να λάβουν τα πρώτα δεδομένα για την τιμή αυτής της αναλογίας και ως εκ τούτου, δεδομένου ότι η τιμή της ειδικής θερμοχωρητικότητας σε σταθερή πίεση ήταν γνωστή, εκτιμάται ειδική θερμοχωρητικότητααέρα σε σταθερό όγκο. Λίγα χρόνια αργότερα (1819), ο Nicolas Clément (1779-1841) και ο Charles Desormes (1777-?) κατάφεραν να προσδιορίσουν άμεσα την αναλογία των θερμοχωρητικοτήτων σε πειράματα για τη διαστολή αερίων, τα οποία επαναλήφθηκαν πολλές φορές από άλλους επιστήμονες μέχρι σήμερα και περιλαμβάνονται σε όλα τα σχολικά βιβλία φυσικής, τα οποία, εντός των ορίων των πειραματικών λαθών, συνέπιπταν με αυτό που βρήκε ο Laplace.

Το 1829, ως αποτέλεσμα λεπτής και επίπονης έρευνας, ο Dulong προσδιόρισε την αναλογία των θερμικών ικανοτήτων για διάφορα αέρια, για τα οποία προκάλεσε ήχο σε ένα σωλήνα χρησιμοποιώντας ροές διαφόρων αερίων. Αυτά τα πειράματα τον οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι στα αέρια και τους ατμούς στο ίσους όρους(όγκος, πίεση, θερμοκρασία) σχηματίζεται η ίδια ποσότητα θερμότητας με την ίδια σχετική συμπίεση ή διαστολή.

Σημειώστε ότι η μέθοδος του Dulong βελτιώθηκε σημαντικά το 1866 από τον Kundt (1839-1894), ο οποίος εισήγαγε έναν ειδικό σωλήνα (αυτός ο σωλήνας ονομάζεται τώρα σωλήνας Kundt). Η μέθοδος Kundt εξακολουθεί να θεωρείται μια από τις καλύτερες μεθόδους για τον προσδιορισμό του λόγου των ειδικών θερμοχωρητικοτήτων.

Συντάχθηκε από την Savelyeva F.N.