3. Сжижение газов

Первые успешные опыты превращения газов в жидкое состояние провел английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867). Условия для сжижения газов определили (независимо друг от друга) Д. И. Менделеев и Т. Эндрюс. Воздух был впервые превращен в жидкое состояние Карлом Линде (1842 - 1934). При помощи жидкого воздуха Дж. Дьюару удалось в 1898 году обратить в жидкое состояние водород, а в 1908 г. Г. Камерлинг-Оннес с помощью водорода сжижил гелий.

Газы отличаются от жидких тел расстоянием между молекулами. Казалось бы поэтому, что для сжижения газа достаточно сблизить его молекулы, т. е. сильно сдавить газ. Однако оказалось, что это не так и что для превращения газа в жидкое состояние должна быть путем охлаждения газа снижена движущая (кинетическая) энергия молекул.

Опыт показал, что для каждого газа существует своя определенная максимальная температура, при которой можно превратить газ в жидкость при помощи давления. При температуре более высокой, чем эта температура, газ остается веществом газообразным и ни при каком давлении не превращается в жидкость. Эта температура называется критической температурой газа, а давление, которым при критической температуре можно газ превратить в жидкость, критическим давлением. Оба значения очень важны для любого газа. Так напр., у углекислого газа (СО₂) критическая температура 31,1°С, а критическое давление его - 73 ат. Это значит, что при 31,1°С углекислый газ можно превратить в жидкое тело давлением в 73 ат, тогда как при температуре выше 31,1°С простым сжатием углекислый газ нельзя превратить в жидкость.

Таблица 6

Углекислый газ довольно легко превращается в жидкость, потому что его критическая температура сравнительно высока. Еще легче можно превратить в жидкость аммиак (NH₃) -132,4°С, 112 ат), сернистый ангидрид (SO₂) -157,7°С, 77,7 ат) или хлор (146°С, 94 ат). Большие затруднения обнаружились у азота (-147,1°С, 33,5 ат), кислорода (-119°С, 50 ат) и водорода (-239°С, 12,8 ат). При помощи жидкого водорода удалось превратить в жидкое состояние и гелий (-267,9°С, 2,26 ат), критическая температура которого приближается к абсолютной нулевой точке 0°К.

Абсолютный нуль (точно - 273,16°С = 0°К) - это нижний предел температуры. При этой температуре, согласно кинетической теории, все молекулы находятся в покое. Аналогичный верхний предел температуры по-видимому не существует. На звездах были спектроскопически обнаружены температуры во много миллионов градусов. Однако пока нам удалось достигнуть максимальной температуры около 5000°С.

Сжижение газов является в настоящее время важной отраслью химической промышленности. Так напр., сжижается воздух, и из него при помощи фракционированной дистилляции получается кислород, азот и редкие газы. Сжижается хлор и в жидком виде транспортируется в стальных баллонах на отбельные заводы. Жидкие сернистый ангидрит, аммиак и другие жидкие газы применяются в холодильных установках. Их действие заключается в том, что сильно сжатому компрессором и охлажденному газу представляется возможность сразу расшириться (в пространстве, из которого компрессором отсасывается воздух через так наз. редукционный клапан); в результате этого газ так сильно охлаждается, что превращается в жидкость (явление Джоуля-Томсона). Испарением жидкого газа охлаждается рассол (крепкий солевой раствор), который затем распределяется по помещениям, предназначенным для охлаждения.

Технически важные газы транспортируются в стальных баллонах, которые согласно нормам должны быть сделаны из хорошей стали методом Маннесмана (как бесшовные трубы). В них можно транспортировать: сжатые газы (до 150 ат), а именно кислород, водород, азот, окись углерода, метан, водяной газ, светильный газ и воздух, а также жидкие газы (их критическая температура так высока, что и при относительно высоком давлении они остаются жидкими), а именно сернистый ангидрид, закись азота, углекислый газ, хлор, фосген, аммиак, масляный газ, и газы растворенные, как ацетилен.

Новые стальные баллоны нельзя наполнять, пока они тщательно не проверены, особенно на давление. Проверка на давление производится периодически (ацетиленовые баллоны проверяются сжатым азотом, прочие - гидравлическим давлением) и на каждом баллоне отмечается меткой. Все баллоны необходимо отметить цветной полосой (кислород - синей, водород - цвета красной киновари, азот - зеленой, аммиак - фиолетовой, углекислый газ - красной, ацетилен - белой, хлор - желтой, воздух - серебряно-алюминиевым покрытием и т. д.). Цветные полосы должны быть шириной в 10 см и находиться под верхней закругленной кромкой баллона. Баллоны закрыты затворными клапанами, которые предохраняются металлическими колпачками. Нарезки затворных клапанов для горючих газов нарезаются левой резьбой, для газов негорючих - правой. К главному клапану присоединяется устройство с редуктором, на котором находятся два манометра. Один показывает давление в баллоне, другой - давление выпускаемого газа.

Стальные баллоны необходимо оберегать от ударов (при транспортировке) и нельзя подвергать действию высокой температуры (оставлять на солнце или вблизи от отопительной установки или печи). У кислородных баллонов нарезки нужно смазывать не смазочным маслом, а глицерином.