Landsberg-1985-T1

состоянии. Они превратили в жидкость хлор и углеIШСЛЫЙ газ, сжимая их при возможно низкой температуре. На рис. 496 показано приспособление Фарадея для сжижения

хлора. В колене А запаянной стеклянной трубки помещен

сухой гидрат хлора. При нагревании из него выделяется

Рис. 496. Опыт Фарадея по сжиже!JlIЮ Х:lОра

газообразный хлор. Конец трубки В по:-.!ещен в охлажда­

ющую смесь. В нем получается ЖИДIШЙ х.10р. Для сжи­

жения таких газов, как хлор или углекислота, их нужно

сжать гораздо сильнее, чем пары эфира. Например, чтобы

при температуре 20 ос превратить в жидкое состояние

хлор, нужно давление 7 атм, а для углекислоты - 60 атм. Это - давления их насыщенного пара при температуре

20 0с.

Однако некоторые из газов (водород, азот, "ислород и др.) оказались крайне упорными. Никакое доступное

Фарадею охлаждение и давление в несколько тысяч ат­

мосфер не вызывали сжижения этих газов. В чем была причина этих неудач? Решить этот вопрос удалось только после того, как было подробно изучено, каким образом

плотности жидкости JI ее пара зависят от температуры и

давления. Оказалось, что неудача была вызвана не тем,

что в то время не умели создавать достаточно большие

давления, а тем, что не умели создать достаточное охлаж­

дение.

§ 303. Критическая температура. Если некоторое количест­

во жидкости поместить в за"рытый сосуд, то часть жид­

кости испарится и над жидкостью будет находиться насы­ щенный пар. Давление, а следовательно, и плотность

этого пара зависят от температуры. Плотность пара обычно

значительно меньше плотности жидкости при той же тем­

нературе. Если повысить температуру, то плотность жид-

5~2

кости уменьшится (§ 198), давление же и плотность насы­ щенного пара возрастут. В табл. 22 приведены значения

плотности р воды и насыщенного водяного пара для раз­

ных температур (а следовательно, и для соответствующих

давлений). На рис. 497 эти же данные приведены в виде

нение плотности жидкости в зависимости от ее темпера­

туры. При повышении температуры плотность жидкости

Рис. 497. Зависимость плотности воды и ее насыщенного пара от тем­

пературы

уменьшается. Нижняя часть графика В1( показывает за­

висимость плотности насыщенного пара от температуры.

Плотность пара увеличивается. При температуре, соот­

ветствующей точке 1(, плотности жидкости и насыщенного

пара совпадают.

Из таблицы видно, что чем выше температура, тем

меньше разница между плотностью жидкости и плотностью

SS3

ее насыщенного пара. При некоторой температуре (у воды

при 374 ОС) эти плотности совпадают. Температуру, при кото­

рой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпаД8ЮТ,

называют критической температурой данного вещества.

На рис. 497 ей соответствует точка К. Давление, соот­ ветствующее точке К, называют критическим давлеНИе/'d.

Критические температуры различных веществ сильно раз­

нятся между собой. Некоторые из них прнведены в табл. 23.

На что указывает существоваНllе критической темпе­ ратуры? Что будет при еще более высоких температурах?

Опыт показывает, что при температурах, более высоких

чем критическая, вещество может находиться только в

газообразном состоянии. Если мы будем уменьшать объем,

занятый паром, при температуре выше критичеС!<ой, то

давление пара возрастает, но он не становится насыщенным

и продолжает оставаться однородным: как бы велико ни

было давление, мы не обнаружим двух состояний, разде­

ленных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких температурах ВСJIедствие конденсации пара. Итак, если температура какого-нибудь вещества выше кри­ тической, тс. равновесие вещества в виде ЖИДКОСТИ и со­ прикасающегося с пей пара невозможно ни при кш<ом

давлении.

Критическое состояние вещества можно наблюдать при помощи прибора, изображенного на рис. 498. Он состоит

из железной коробки с окнами, которую можно нагревать

Быше 200 ос (<<воздушная баня»), и находящейся внутри

бани стеклянной ампулы с эфиром. При нагревании бани

мениск в ампуле поднимается, делается более плоским и,

554

наконец, исчезает, Что и свидетельствует о переходе через

критическое состояние *). При охлаждении бани ампула

внезапно мутнеет вследствие образования множества мель­

чайших капелек эфира, после чего эфир собирается в ниж­

ней части ампулы.

Как видно из табл. 22, по мере приближения к крити­ ческой точке удельная теплота парообразования стано­

вится все меньше и меньше. Это объяс-

няется тем, что при повышении темпе­

ратуры уменьшается различие внутрен­

них энергий вещества в жидком и паро­

образном состояниях. В самом деле,

силы сцепления молекул зависят от

расстояний между молекулами. Если

плотности жидкости и пара отличаются

мало, то мало отличаются и средние

расстояния между молекулами. Следо­ вательно, при этом будут мало отличать­ ся и значения потенциальной энергии взаимодействия молекул. Второе сла­ гаемое теплоты парообразования - ра­

бота против внешнего давления - то­

ше расширение, происходящее при испарении, и, значит,

тем меньше совершаемая при испарении работа.

На существование критической температуры впервые

указал в 1860 г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-

1907), русский химик, открывший основной закон совре­ менной химии - периодический закон химических эле­

ментов. Большие заслуги в изучении критической темпе­

ратуры имеет английский химик Томас Эндрюс, произ- J ведший обстоятельное исследование поведения углеКIIСЛОТЫ ' (СО2) при изотермическом изменении занимаемого ею

объема. Эндрюс показал, что при температурах ниже

31 ос в замкнутом сосуде возможно сосуществование угле-

*) Необходимо, конечно, подобрать такое количество эфира, при'

котором наступает КРИ1'ическое состояние, т. е. при критической темпе- ;

ратуре давление паров достигает критического значения. При недостаТОЧ-.j

ном количестве эфира он весь испарится, не давая нужного давления: j

мениск постепеннО понизится до дна ампулы. При излишнем количествеj Эфира. он расширится и заполнит всю ампулу ранее достижения крита-1

555

кислоты в жидком и в газообразном состояниях; при тем­

пературах выше 31 ос такое сосуществование невозможно

и весь сосуд наполнен только газом, как бы ни уменьшать его объем.

После открытия критической температуры стало по­

нятно, почему долго не удавалось превраТIIТЬ в жидкость

такие газы, как КИСЛОРОД или водород. Их критическая

температура очень низка (табл. 23). Чтобы превратить

эти газы в ЖИДКОСТЬ, ИХ нужно охладить ниже критиче­

ской теАmераmуры. Без этого все ПОПЫТКИ их сжижения

обречены на неудачу.

§ 304. Сжижение газов в технике. Когда было выяснено, что

для сжижения газов нужно охлаждение их ниже критиче­

ской температуры, усилия исследователей были направ­ лены на разработку способов получения низких темпера­ тур. ЭТИ усилия увенчались успехом, и в настоящее время имеется ряд машин для получения всех без исключения газов в ЖИДКОМ виде. Эти ма­ шины, в особенности машины

для сжижения воздуха, по­

лучили широкое распростра­

нение в технике.

Сжижение воздуха ИСПОЛЬ­

зуется в технике для разде­

электрических ламп накаливания, а также газосветных

ламп; в) кислород служит для многих целей: смешивая

его с ацитиленом (или с водородом) и сжигая эту смесь,

получают пламя, имеющее высокую температуру и упо-

5~

требляющееся для сварки и резки металлов (рис. 499). Большое значение приобрело кислородное дутье для ус­

кореш!я !I!еталлургических процессов; кислород исполь­

зуют также и для \!едицинских целей.

Кроме того, ЖИДКИЙ кислород употребляется во взрыв­

ной технике. Смесь ЖИДКОГО кислорода с ОПlIЛКЮШ, сажей,

нафталином и другими легко ОI<ИСЛ ЯС'.IЫ'\1И вещества:.!!! представляет собой взрывчатое вещество громадной СIИЫ

(оксиликвит). Взрыв происходит потому, что в присут­

ствии !<И CJrop ода , находящегося в ЖИДКО\1 состоянии И,

следовательно, заНI!мающего малый объем, сгорание этих

веществ протекает очень быстро. При сгорании ПрОИСХОДИТ

сильное нагревание, продукты реакции получаются газо­

образные (углекислота), ПрОИСХОДИТ МПIопенное и очень

СlIльное расширение - взрыв. Это взрывчатое вещество

имеет то преимущества, что по испарении кислорода оно

перестает быть опасным.

J\\ашины для получения жидкого воздуха бывают раз­

личных типов. Мы опишем здесь схему машины, действие которой основано на охлаждеНI!I! сильно сжатого воздуха Прll его расширении (§ 225). Воздух поступает в компрес­ cnp 1 (рис. 500); здесь его сжимают ДО давления в несколько

Рис, 500, Схема 'машины для получения жидкого воздуха

десятков атмосфер. При этом он нагревается. Из компрес­

сора 1 воздух поступает в теплообменник 2, где он охлаж­

дается проточной водой до первоначальной температуры и затем идет в детандер 3 (расширитель). Детандер пред­ ставляет собой ЦИ,1ИIЩР с поршнем. В детандере воздух расширяется. При этом он выталкивает поршень и сопер­

шает работу. Внутренняя энергня воздух-а расходуется

на эту работу, и TeMlIepaTypa его падает настолько сильно,

557.

ЧТО он конденсируется в жидкость; сжиженный воздух

собирается в <;осуде 4.

Иногда детандеры осуществляются не в виде цилиндра

с поршнем, а в виде турбины (турбодетандер П. Л. Ка­

пицы), в которой происходит расширение газа, произво­

дящего работу вращения турбины. ВеСЫilа важно, что ротор (вращающаяся часть турбины) во время работы

машины «висит» В потоке расширяющегося газа, не каса­

ясь стенок турбины. Вследствие этого отпадает необхо­ дююсть смазки, что очень существенно, так как подбор смазки дм! частей машин, работающих при столь низких температурах, крайне затруднителен. Обычные смазки при низких температурах затвердевают. Кроме того, достоин­

ством машин для сжижения газов, сконструированных

П. Л. КаПJlцей, является пх высокая ПРО1I3ВОДlIтельность

при относительно ыалых размерах.

Температура Кllпения жидкого воздуха очень низка.

При атмосферном давлеНИII она равна -190 0с. Поэтому

жидкий воздух Е открытом сосуде, когда давленпе его паров равняется атмосферному, кипит, пока температура его не

понизится ниже -190 U C. Так как окружающие тела зна­

чительно 1'еплее, 1'0 нриток тепЛОты к жидкому воздуху,

если бы он хранился в обычных сосудах, был бы настолько

значителен, что за очень короткий срок весь жидкий воз­ дух испарился бы. Поэтому его сохраняют в специальных

сосудах, создающих ХОРОJJJУЮ защиту от доступа теплоты

извне. Это - сосуды того же типа, что и обычные термосы.

Они представляют собой стеклянные или ).IетаШIИческие сосуды с Д130ЙНЬЕ\Ш стенками (рис. 501), из пространства между которыми воздух тщательно удален. Переход теп­

лоты через такое пространство с очень разреженным газом

крайне затруднен. С целью пре;J,Oхранения от нагревания

лучами BHYTpeHlIl!e стенки полости делаются блестящими

(посеребреIШЫ:\Ш). Такие сосуды для хранения жидкого воздуха были предложены Дыоаром. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух испаряется настолько медленно,

что его можl'О сохранять два, три дня и больше.

Для того чтобы, несмотря на непрерывный, хотя и

медленный приток теплоты, СЖllженный газ не нагревался, он должен оставаться в открытом сосуде, чтобы IIметь воз­

можность постепенно ис,!аряться. Вследствие затраты теп­

лоты на испарение сжиженный газ остается все время

холодным. Если закупорить сосуд Дыоара, т. е. воспрепят­

ствовать испарению, то сжиженный газ нагреется 11 дав­

ление его паров возрастет настолько, что разорвет сосуд.

SS8

молекул пара стала БОЛI,ше диаметра трубки 3. Диффузионный насос

является одним из наиболее совершенных насосов.

При откачке воздуха из стеклянных или металлических колб надо

ПРИНШ,lать особые меры к тому, чтобы удалить также и те молекулы воз­

духа, которые адсорбированы стенками (§ 258). Для этого откачиваемые

сосуды (напрнмер, электролюlПЫ) во время откачки нагревают (до

Рис. 502. Ртутный диффузионный насос

300-400 СС) в особых печах. При Н3ГРСП311ИИ стеклянных стенок при­

липшне к fJЮ! МО.1екулы воздуха отде.1ЯЮТСЯ и откачиваются насосом.

Если произвести откачку, не прогрсвая колбы, то через некоторое вре­ МЯ внутри ко.1бы снова I10ЯПИТСЯ газ, и вакуум будет недостаточным.

З. В большинстпе ЫKyy~!IIЫX приt'iпров во ВРО!Я их работы происхо­

дит постепенное выделение газа из их стеклянных и металлических час­

тей, несмотря на преДВЗРИТС.1ЫJOе прогрепзнис. Чтобы выделяющиеся газы не вредили работе прибора, внутри него помещают непрерывио

действующий газопоглотитсл~. !3 ОСI3ститсльных mзмпах накаливания газопоглотителем ЯВ.1яется фосфор, наllосимыii прямо на вольфрамо­

вую нить и ПОСЛС преДIJзрителыюго прокалнвания лампы оседающий

прозрачным сдоем HJ ее стенкзх. В радиолзмпах обычно используют

слой бария, который распыляют внутри лампы после ее откачки; зер­

калыlйй налет баI,IIЯ поглощает гззы в течение всего срока службы

w"13МПЫ.

В современных B3KYYMIIbIX приборзх достигается вакуум порядка

10-8 мм рт. СТ. ЭТО значит, что ш!оТ!юсть газа в них в миллиарды раз

меНI,ше плотности атмосферного ВО3ДУХ3. Оi\113\Ю даже при таком разре­

жении в 1 см3 находится несколы(о сотсн ЫIIЛЛИОНОВ молекул. С этим

результатом интерссно СОIЮСТ3IJIIТЬ тот факт, что плотность вещества

в межзвездном пространствс ТЗКОВ3, что на 1 c~l:j приходится 1It: более

сотни молекул,

§ 306. ВОДЯНОЙ пар в атмосфере. Количеств() водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение д"'lЯ

560

процессов, происходящих в атмосфере. Оно оказывает

также большое влияние на жизнь растений и животных.

I(оличество водяного пара в воздухе можно выразить при

помощи следующих величин: а) давление водяного пара

(парциальное, § 239); б) абсолютная влажность воздуха - масса водяного пара в 1 м3 воздуха, выраженная в граммах; в) относительная влажность воздуха - отношение давле­

ния пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщен­

ного пара при той же температуре, выраженное в процен­ тах. В табл. 24 приведены значения давления насыщенных

паров воды при различных температурах, выраженные в

миллиметрах ртутного столба, а также абсолютная влаж­

ность воздуха, соответствующая этому давлению.

т а б л н ц а 24. Давление насыщенного пара воды

и абсолютная влажность воздуха в зависимости

от температуры

Давление насыщенного пара зависит также от того,

находится ли пар над поверхностью переохлажденной

воды или над поверхностью льда. Над льдом давление

насыщенного пара меньше, чем над переохлажденной

БОДОЙ при той же температуре (§ 301). Это значит, что если в воздух, содержащий водяной пар вблизи состОяния

насыщения, внести кусочек льда и капельку переохлажден­

ной воды, то на поверхности льда начнется конденсация и

он будет увеличиваться в размерах, а капелька воды будет

испаряться и уменьшаться.' Этот процесс имеет очень

большое значение при образовании осадков (§ 311).

Для определения влажности воздуха пользуются гиг­

рометром и психрометром.

561