Воздух становится жидким при температуре около 80°К ( –190°C)
Общий характер высотного изменения температуры воздуха был предугадан Аристотелем.
Он делил атмосферу на три слоя, из которых прилегающий к Земле пригоден для жизни, следующий сильно охлаждён, а самый верхний, наоборот, сильно нагрет.
При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние.
Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.
Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около –190 °С.
Состав его непостоянен, так как азот улетучивается быстрее кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода) . До ХIX века считали, что газы являются таковыми по самой своей природе, и вопрос о их сжижении даже не возникал.
Кислородный прибор с жидким воздухом
Лишь в 20-х годах ХIХ века, применяя значительные давления, удалось получить в жидком состоянии хлор, аммиак, диоксид углерода и ряд других веществ “газообразной природы”. Однако оставались ещё многие, в частности основные газы воздуха — кислород и азот, которые, несмотря на все усилия, не сжимались. На них перенесли то представление, которое раньше было общим, и стали считать их “постоянными” газами.
Только в 1877 г. впервые удалось получить в жидком состоянии одни из этих “постоянных” газов — кислород. Вслед за тем были сжиженны и все другие.
Схема получения жидкого воздуха заключается в том, что предварительно освобождённый от пыли, влаги и углекислого газа воздух сжимается компрессором до 200-250 атм (при одновременном охлаждении водой) , проходит первый теплообменник и затем разделяется на два потока. Большая часть направляется в детандер — поршневую машину, работающую за счёт расширения воздуха. Последний, значительно охладившись в детандере, омывает оба теплообменника и, охладив текущий навстречу сжатый воздух, покидает установку. Другой поток сжатого воздуха, охлаждённый ещё более во втором теплообменнике направляется в расширительную камеру, после чего покидает установку вместе с воздухом из детандера. Вскоре наступает момент, когда в расширительной камере достигается температура сжижения, и затем он уже непрерывно получается в жидком состоянии.
В 1938 г. П. Л. Капицей был разработан метод получения жидкого воздуха при низком давлении — всего 5-6 атм. По мере испарения азота жидкий воздух обогащается кислородом, причём температура его кипения постепенно повышается. Одновременно возрастает и плотность жидкого воздуха (приблизительно 0,94 г/см3 для нормального состава) . Температура его затвердевания также зависит от состава, причём наинизшая она (– 223 °С) при содержании 78% кислорода.
Воздух, как и многие другие газы, может находиться в нескольких агрегатных состояниях. В том числе стать жидкостью при соблюдении определенных условий. Рассмотрим свойства, состав и область применения жидкого воздуха.
Рамзай взял 15 литров аргона, запер их в стеклянный баллон, а баллон погрузил в полученный от Хэмпсона жидкий воздух. Аргон сильно охладился и тоже стал жидким.
- Свойства и состав жидкого воздуха
- Как получают жидкий воздух
- Продукты перегонки жидкого воздуха и их применение
Охлаждая воздух до криогенных, т.е. очень низких температур, получают жидкость бледно-голубого цвета. При поглощении тепла она вновь возвращается в газообразное состояние. Для хранения жидкого воздуха используют особые контейнеры или сосуды Дьюара.
Свойства и состав жидкого воздуха
Газообразный сухой воздух — это смесь трех основных компонентов. Их примерное соотношение:
Углекислый газ (CO2) в составе занимает около 0,03 %. При охлаждении он не переходит в жидкость, а твердеет. Именно поэтому в жидком воздухе при давлении равном 520 кПа углекислота не присутствует.
Остальные вещества, например, неон, криптон, метан, гелий и водород присутствуют в следовых количествах. Их объем варьируется от 0,001818 % до 0,0000087 %.
Свойства жидкого воздуха:
- Плотность — примерно 0,87 г/см3. Напрямую зависит от состава конкретного образца, в частности от концентрации углекислого газа.
- Температура кипения составляет -194,35 °C. Поддержание постоянной температуры затруднительно, потому что азот испаряется быстрее, а следовательно, меняется химический состав смеси и нужные для этого процесса условия.
- Температура замерзания — при нормальном атмосферном давлении около -215,2 °C.
Хотите получить консультацию?
Позвоните нам по телефону!
+7 (495) 532 17 17 Пн.-Пт. с 9:00 до 18:00, обед с 13:00 до 14.00, Сб. с 9.00 до 15:00
Как получают жидкий воздух
В начале 19 века ученым удалось при помощи машины Линде довести воздух до жидкого состояния. Основные элементы установки:
- компрессор — электродвигатель с насосом;
- теплообменник — две спиралевидные трубки, расположенные одна в другой;
- специальный термос для накопления сжиженного газа.
Все комплектующие обязательно покрывали слоем теплоизоляции. Это необходимо для ограждения газов от повышенных окружающих температур.
Технология включала несколько последовательных этапов:
- Газовая воздушная смесь проходит очистку от примесей пыли и воды.
- Компрессором нагнетают давление до 250 атм. Сжатый таким образом воздух требуется охладить, потому что в процессе происходит выделение тепла. Для этого используют обычную воду.
- Далее, после прохождения первого теплообменника, газ разделяют на два потока. Больший направляется в поршневую машину (детандер). Она активизируется благодаря расширению вещества — потенциальную энергию преобразует в механическую. За счет совершения этой работы газ охлаждается.
- Пройдя через второй теплообменник, образовавшиеся капли жидкости накапливаются в термосе.
Основная проблема — невозможность использования детандеров в крупных производственных масштабах. Это связано с тем, что дросселирование больших объемов вещества через узкую трубку дорого и энергозатратно. Тем более, что поршни машины обрастают льдом, а значит, требуется осушение воздуха. Это бы дополнительно усложнило процесс. Поэтому поршни решено было заменить на турбину.
Продукты перегонки жидкого воздуха и их применение
Чаще всего газовую смесь сжижают и используют для получения других веществ — в основном это азот и кислород. Другие инертные газы тоже можно получить путем фракционной перегонки жидкого воздуха.
Способ основан на разнице в температурах кипения составляющих:
- для кислорода -183 °C;
- для азота это -196 °C.
При нагревании жидкого воздуха, первым выкипает азот, оставляя насыщенную кислородом жидкость. Достигая температуры -183 °C начинает улетучиваться и кислород. Таким образом, благодаря термическому воздействию успешно разделяют газовую смесь.
Особенность процесса — невозможность выделения азота и кислорода высокой степени чистоты за один прогон. При приближении концентрации N к 50 %, насыщение паров кислородом доходит до 20 %. Поэтому газ конденсируют и направляют в установки для последующих перегонок. В промышленных масштабах кислород и азот получают на ректификационных колоннах.
Продукты перегонки применимы в различных сферах:
- кислород — необходим на производстве для сварки или резки, а также используется в медицине;
- азот — популярен в качестве хладагента в медицине и косметологии.
Приобретая криогенные жидкости, важно убедиться в высоком уровне их качества. Для этого мы готовы предоставить всю необходимую документацию. Производство проходит в полном соответствии с технологическим процессом и требованиями безопасности уже более 15 лет. Для доставки используем собственные автомобили и экранно- или порошково-вакуумную изоляцию. Для заказа жидкого азота или кислорода звоните или оставляйте заявку на сайте.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА
ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА
Воздух-это смесь главным образом двух газов азота и кислорода. В составе воздуха содержится около 21% кислорода и 79% азота.
Давлениемназывается сила, действующая на единицу площади и перпендикулярна ей. Обозначается обычно буквой (P), измеряется в килограммах на единицу площади (кг/м2, кг/см2, атм.). Воздух производит давление у земли равное весу столба воздуха от верхней границы атмосферы до земли (на уровне моря t=+15оС) равное 1,0332 кг/см2.
Температура — мера нагретости тела и определяет скорость хаотического движения молекул. Измеряется в градусах Цельсия, Кельвина или Фаренгейта. В шкале Кельвина за 0о взята температура прекращения движения молекул (—273о), в шкале Цельсия температура замерзания чистой воды при давлении 760 мм. рт. столба, в шкале Фаренгейта температура замерзания насыщенного раствора соли в воде. Размерность шкалы Цельсия и Кельвина совпадают, шкала Фаренгейта имеет свою размерность. Ноль градусов по Цельсию соответстует +32о Фаренгейта, температура человеческого тела (36,6 оC) соответствует +97,88 о Фаренгейта, точка кипения воды (100оС) +212о Фаренгейта. Перевод из Фаренгейта в шкалу Цельсия (toF-32)*0,55=toC).
Перевод из Цельсия в Фаренгейта toC*1,8+32=toF.
Плотность. В аэродинамике под понятием плотности обычно понимают массовую плотность. Она характеризует кинетическую энергию молекул воздуха. Обозначается буквой r (читается ро). Массовая плотность — это масса воздуха, содержащаяся в объеме 1 куб. м.(м3).
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА С ВЫСОТОЙ.
С увеличением высоты давление монотонно убывает, плотность также уменьшается, но медленнее давления, что вызвано изменением температуры.
Температура воздуха примерно до 11 км уменьшается в среднем на каждый километр на 6,5 оС.
МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА
Атмосфера никогда не бывает спокойной, в ней постоянно происходит изменение параметров воздуха (давления, температуры и плотности). Чтобы иметь возможность сравнивать характеристики различных летательных аппаратов (ЛА), введена так называемая Международная стандартная атмосфера (МСА).
МСА – это система параметров атмосферы, в основу которой положены следующие значения нулевого параметра воздуха:
барометрическое давление Р =760 мм рт. ст. (Ро= 10330 кгс/м2);
температура t=+15°C (То=288 К);
массовая плотность rо=0,125 кгс см4;
Согласно МСА температура воздуха на высоте до 11 км падает на 6,5°С на каждые 1000 м., то есть Dtо= — 0,65о на 100 м высоты (D — “дельта” – значок обозначает приращение параметра).
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА
Характер взаимодействия воздуха и движущегося в нем тела зависит от физических его свойств: инертности, вязкости, сжимаемости.
Инертностью называется свойство воздуха сопротивляться изменению скорости. Мерой инертности является его масса
Чем больше плотность воздуха, тем большую инертность будет иметь единица объёма.
Инертность принято характеризовать массовой плотностью rо.
Вязкостью воздуха называют его способность сопротивляться сдвигу одних слоёв относительно других. Воздух весьма липкая среда и при обтекании твердого тела скорость воздуха изменяется в определенном слое от 0 на поверхности тела до скорости потока.
На торможение “прилипшего” воздуха и преодоление вязкости воздуха затрачивается энергия, что является причиной возникновения силы трения о воздух.
Слой, в котором поток тормозится от своей скорости до нуля у поверхности тела называется пограничным слоем. Он невелик и имеет толщину от 1,5 до 3 % от длины обтекаемого тела.
Воздух — это газ, и он подвержен сжимаемости. Заметное влияние на обтекание тел сжимаемость оказывает на М=0,4 и более. До М=0,4 влияние сжимаемости обычно не учитывается.
Число М (Маха) показывает отношение скорости полёта к скорости распространения звуковых волн.
У земли скорость звука около 1230 км/ч. С увеличением высоты плотность воздуха падает, он становится менее упругим и скорость звука падает.
Следовательно, при равной скорости относительно воздуха с поднятием на высоту число М растет.
В аэродинамике частным случаем закона сохранения энергии является уравнение Бернулли. Полная энергия складывается из потенциальной энергии (Р — статическое давление) и кинетической (rV2/2 — скоростной напор).
Выражение rV2/2 называется скоростным напором и характеризует кинетическую энергию потока, где
r — массовая плотность воздуха;
V — скорость потока.
Запомните это выражение. Оно будет использоваться очень часто.
р+rV2/2=const (величина постоянная)
Сумма статического давления и динамического давления (скоростного напора) в различных сечениях неразрывного потока есть величина постоянная, то есть с уменьшением сечения увеличивается скорость потока и падает статическое давление и наоборот.
Кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, который окружает нас повсюду. Однако именно благодаря его наличию в атмосфере на Земле возможна жизнь. Все живые организмы используют его для дыхания. Также он активно применяется человеком в промышленности, медицине. Каким образом запасы кислорода регулярно пополняются, а также зависит ли его количество от времени года?
Откуда берется кислород?
Еще со школьной скамьи наверняка каждый знает о том, что кислород поступает в атмосферу благодаря непрекращающейся работе растений. Поэтому постоянно актуальной является проблема уничтожения лесов и их восстановление. При этом потребность в кислороде с каждым годом возрастает.
Кислород вырабатывается растениями в результате сложного химического процесса – фотосинтеза. В ходе него энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который в данной реакции является побочным продуктом, а также органические вещества. Учеными подсчитано, что зеленые растения выделяют около 6 тонн кислорода на каждую тонну, которая требуется для их дыхания.
Это, безусловно, существенные показатели, но стоит знать, что кислород, выделенный наземными растениями, составляет лишь 20% от общего его количества. Поступление остальных 80% кислорода обеспечивается морскими и океаническими водорослями, которые имеют общее название – фитопланктон. По этой причине океан неофициально называют «легкими» нашей планеты.
Фитопланктон в Чёрном море. Май 2004 года
Реакция фотосинтеза протекает преимущественно в сине-зеленых водорослях. В упрощенной схеме данной реакции это выглядит следующим образом. Углекислый газ сочетается с водой и в результате получается два вещества – глюкоза и кислород. Последний, к слову, фитопланктон расценивает как ненужный, поэтому излишки кислорода выделяются в воду, а потом в атмосферу. Водорослям при этом требуется энергия для осуществления реакции. Они получают ее из солнечного света, который попадает в воду.
Интересный факт: почему именно растения (наземные и подводные) производят кислород? Потому что в них есть специальный пигмент – хлорофилл, при участии которого осуществляется фотосинтез. И именно благодаря данному пигменту растения окрашены в зеленый цвет.
Меняется ли количество кислорода в течение года?
Воздух состоит из большого количества разных газов. При этом кислород занимает около 21% по объему, а 78% приходится на азот. Остальные компоненты по мере снижения объема – аргон, углекислый газ, неон и др. Если взять отдельные небольшие территории, то можно заметить, что где-то дышать труднее, где-то легче. Например, в пределах большого города выше уровень углекислого газа из-за производств, множества транспортных средств и т.д. В лесу, наоборот, высокая интенсивность кислорода, а CO₂ меньше. Однако в целом объем кислорода в атмосфере всегда остается стабильным в пределах 21%, поскольку происходит постоянное и равномерное смешивание всех газов.
Кислород зимой
В зимний период кислорода в воздухе действительно становится меньше на 0,01%. Однако процент его снижения настолько мал, что для людей и прочих живых организмов эти изменения остаются незамеченными, а потому и вполне безопасными. Зимой лиственные растения, конечно, прекращают принимать участие в процессе вырабатывания кислорода, но все еще остаются хвойные, а также фитопланктон, которым минусовые температуры не страшны.
Каким же образом ученые измеряют уровень кислорода. Активно заниматься этими исследованиями начали в 90-х годах. Для этого используют метеостанции, установленные в разных уголках планеты для чистоты эксперимента. На метеостанциях регулярно проводят забор воздуха, а затем полученные образцы сравнивают с контрольными. Отслеживают изменения не только кислорода, но и азота.
Данные эксперименты дают четкие результаты. Установлено, что в Северном полушарии Земли колебания кислорода более заметны, чем в Южном. Зимой объем кислорода здесь снижается на 24 части на миллион, а поскольку общее его количество составляет около 210000 на миллион, то колебания действительно несущественны.
Зимой кислорода в воздухе действительно становится меньше. Он поступает в атмосферу благодаря растениям. Листья зимой опадают, поэтому при наступлении холодов снижается объем кислорода в воздухе. Тем не менее, остаются хвойные растения, а большая часть кислорода (80%) поступает из подводных растений – фитопланктона. Таким образом, снижение объема кислорода зимой незначительно – всего 0,01%. Для всех живых организмов эти колебания незаметны и безопасны.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.