Низкие температуры, пути достижения. История и современность

Вид материала

Документы

Содержание Упругость паров жидкостей. Пары насыщенные и ненасыщенные. Изменения упругости паров различных жидкостей в зависимости от свойств последних и их температуры. Теплота испарения. Необходимость холода для существования сжиженных газов при атмосферном давлении. Влияние давления на температуру кипения. Превращение насыщенного пара в жидкость под влиянием давле­ния, превышающего его упругость. Обратимость явлений испарения и сжижения. Теплота сжижения. Сжижение путем простого охлаждения Сжижение простым давлением Аппарат Тилорье. Сжижение при помощи одновременного сжатия и охлаждения Критическая точка. Работы Каньяр де ля Тура и мнение Фарадея. Опыты Эндрьюса. Критическая точка и определяющие ее условия. Классификация газов по их сжижаемости. Классификация Эндрьюса Аппарат Кальете Опыт Пикте. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Низкие температуры в природе и технике. Современные аспекты, 17.72kb.
• Землеустройство как комплекс мер по рациональной организации сельского хозяйства, 35.79kb.
• Международная научно-практическая конференция «кооперация: история и современность», 28.8kb.
• Социальная работа на урале: история и современность межвузовский сборник научных трудов, 2331.27kb.
• Экономика, власть, управление в России: история и современность, 11.33kb.
• Русская Православная Церковь. История и современность. Для участия в работе конференции, 52.11kb.
• Тательная деятельность детского оздоровительного лагеря: история и современность сборник, 2465.08kb.
• Рекомендации Научно-практической конференции "Вепсы: история, культура, современность", 18.05kb.
• Лабораторная работа Определение относительной влажности воздуха и температуры насыщенного, 14.75kb.
• Доклад на научно-практической конференции «Народный костюм: история и современность», 84.34kb.

Низкие температуры, пути достижения. История и современность.




Одним из интереснейших отделов физики является тот, который трактует о сжижении газов, и, прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с задачей сжижения воздуха, мы не можем обойти молчанием те многочисленные работы, которые закончились только в последнее время полным господством науки над жидким и газообразным состоянием тел.

В области сжижения газов теоретические выводы значительно опередили их практическое осуществление. Физики наблюдали, как обычные жидкости, под влиянием тепла, превращаются в пары, столь же подвижные и легкие, как и газы; под влиянием охлаждения эти пары легко возвращались в свое исходное состояние превращаясь в жидкость. Перед учеными вставал вопрос: не являются ли также и газы естественные или получаемые химическим путем парами жидкостей, но жидкостей особенных, несравненно более летучих, чем обычные, и которые кипят при очень низких температурах.

Не эти ли мысли занимали знаменитого Свифта, когда он сочинял следующий отрывок своего “Путешествия Гулливера” (3-я часть, Путешествие в Лапута, гл. V—Описание академий в Лагадо) “Под началом великого ученого находилось 50 рабочих. Одни сгущали воздух, делая его осязаемым, извлекая из него азот и давая испаряться текучим и водянистым частицам и. т. д.” Ведь это полная картина производства жидкого воздуха, кислорода и азота - и все это в 1726 году!

После Свифта понятие о способностях газов сжижаться уясняют приводимые ниже пророческие слова Лавуазье. В то время, когда даже легко сжижаемые газы не могли быть приведены в жидкое состояние, знаменитый химик решился сказать: “Если бы земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна,— вода, которая ныне образует наши реки и моря и, вероятно, значительное большинство из известных нам жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы. В этом случае воздух или, по крайней мере, часть газов, его составляющих, изменили бы свое состояние, превратившись в жидкость из невидимого газа, который существует благодаря нахождению в среде с достаточно высокой температурой, при этом переходе воздуха из одного состояния в друг образовались бы новые, доселе даже не предугадываемые, жидкости”.

Таким образом, начиная с Лавуазье, утверждается мнение, что три состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное представляют собой последовательный ряд, при чем каждое из состояний находится в зависимости от температуры окружающей среды.

Современная наука подтвердила для всех тел, по крайней мере, не разлагающихся при нагревании, полную закономерность и общность этого заключения.


Антуа́н Лора́н Лавуазье́

Без каких-либо других предисловий, перейдем теперь к изучению вопроса о сжижении газов, предварительно вспомнив все те законы, которым подчиняется как испарение жидкостей, так и сгущение их паров.

Упругость паров жидкостей. Пары насыщенные и ненасыщенные.

На рисунке изображена барометрическая трубка, заполненная ртутью и погруженная своим открытым концом в сосуд со ртутью же. При этом в пространстве Е образуется пустота; известно, что по высоте ртутного столба АВ (приблизительно 760 мм) определяется атмосферное давление. Введем в барометрическую трубку при помощи загнутой пипетки несколько капель какой-нибудь жидкости: воды, спирта и т. д. Эта жидкость, достигнув свободной поверхности ртути, испарится в пустом пространстве Е, и мы увидим, что уровень ртути, под влиянием образовавшихся паров, понизится от первоначального уровня В до нового уровня С. Высота BС определяет силу упругости или давление образовавшихся паров при тех условиях, при которых производится опыт. При производстве этого опыта возможны 2 варианта:

1) В трубку вводится жидкость в избыточном количестве; в этом случае испарится только часть этой жидкости. В барометрическом пространстве Е будет содержаться то максимальное количество паров, которое оно может вместить, т. е. пар будет, как принято называть, “насыщенным”. Понижение уровня ртути в этом случае будет максимальным и инте­ресно отметить, что это понижение при дан­ной температуре является величиной строго определенной и постоянной, независимо от количества излишка жидкости, введенного в трубку. Можно сказать, что упругость на­сыщенного пара при определенной темпера­туре является постоянной физической вели­чиной и характеризует жидкость в такой же степени, как ее характеризуют плотность или точка кипения.

2) Введенная в трубку жидкость испа­ряется полностью, следовательно, количество ее оказалось недостаточным для образования того количества пара, которое может вме­ститься в трубку. В данном случае степень понижения уровня ртути не будет предста­влять собой определенной величины, как это было в первом случае, и будет зависеть от количества введенной жидкости. И совер­шенно ясно, что если было введено незна­чительное количество жидкости, то и пони­жение уровня ртути будет незначительным. Таким образом, давление ненасыщенного пара не представляет собою определенной вели­чины и может изменяться в зависимости от количества введенной жидкости в пределах от нуля до максимума при чем максимум, понятно, соответствует упругости насыщенного пара, и поэтому такое давление часто называют максимальным , и оно является истинной силой упругости пара при определенной температуре. В дальнейшем эту силу напряжения упругости мы будим называть упругостью пара. К сущности понятия ненасыщенного пара мы должны отнестись с должным вниманием, ибо, как впоследствии узнаем, газы представляют собою явление того же порядка, т. е. являются ненасыщенными парами.


Изменения упругости паров различных жидкостей в зависимости от свойств последних и их температуры.

Упругость паров различных жидкостей при равной температуре тем больше, чем более летучи эти жидкости. Так, например, упругость паров воды при 20е равна 17,4 мм, т.е., иначе говоря, при 20°C уровень столбика ртути (в барометрической трубке) понижается при введении в трубку воды на 17,4 мм; упругость паров обыкновенного спирта при той же температуре равна 44 мм, паров древесного спирта—95 мм и паров эфира - 442 мм; последовательность этих цифр одновременно показывает нам и порядок летучести этих жидкостей. С другой стороны, упругость паров одной и той же жидкости быстро возрастает при увеличении температуры. Попробуем постепенно подогревать нашу барометрическую трубку: под влиянием все увеличивающегося испарения жидкости, пары которой поднимаются над ртутью, уровень последней будет понижаться с возрастающей скоростью и упругость водяных паров при 30° будет равна 31,5 мм, при 50°C - 92 мм и при 75°C - 288,5 мм. Продолжая повышение температуры, мы увидим, что понижение уровня ртути еще ускорится, и в определенный момент, под влиянием насыщенного пара жидкости (которая находится в трубке все время в избыточном количестве), уровень ртути, находящейся в барометрической трубке, дойдет до уровня ртути в сосуде А. Очевидно, в этот момент упругость паров будет точно уравновешивать атмосферное давление и будет, следовательно, равна 760 мм. Если в этот момент измерим температуру, то увидим, что она равна 100°C, т. е. температуре кипения воды при атмосферном давлении. Это чрезвычайно интересное явление мы формулируем следующим образом: Температура кипения жидкости при атмосферном давлении является, вместе с тем и той температурой, при которой упругость паров этой жидкости равна одной атмосфере. Все законы природы имеют свой глубокий смысл, но нам так редко представляется возможность их разгадывать, что каждый такой случай следует отмечать. Здесь мы имеем этот случай. Как очень хорошо известно, только тогда начинают образовываться в жидкости; пузыри, наблюдаемые обыкновенно при кипении, когда пары получают возможность своей упругостью уравновешивать атмосферное давление, действующее на жидкость.

До того момента, пока упругость паров не достигнет этой вели­чины, не могут образовываться пузырьки пара, и мы наблюдаем только медленное поверхностное испарение, но не кипение.

Теплота испарения.

Рассмотрим явления, происходящие при нагревании жидкости в открытом сосуде. Известно, что температура этой жидкости будет беспрерывно подниматься до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения, после чего повышение температуры сразу приостано­вится, как бы ни был силен источник нагревания. Изменение физиче­ского состояния жидкости, с одной стороны, и, с другой стороны, громадное увеличение ее объема, происходящее во время парообра­зования с преодолеванием противодействия атмосферного давления, требуют затраты значительной энергии, которая получается за счет значительного поглощения тепла. Некоторое отдаленное представле­ние о количестве тепла, затрачиваемого при парообразовании, дает нам то ощущение холода, которое испытывает на себе всякий, вы­ходя из ванны, когда происходит медленное испарение воды, остав­шейся на теле.

До того момента, пока нагреваемая нами жидкость не закипела, слабое поверхностное испарение вызывает соответственно слабое поглощение тепла, и почти все тепло, выделяемое источником нагре­вания, расходуется на постепенное нагревание жидкости. С того же момента, когда началось кипение, поглощение тепла для образования паров становится громадным, и все тепло нагревателя, независимо от его мощности, уходит на процесс парообразования.

Количество тепла, необходимое для превращения в пар одной весовой единицы кипящей жидкости, называется теплотой испарения. По Реньо для воды при 100°C она равна 537 калорий на 1 т. Количество, поистине, колоссальное!

А ведь эта цифра обозначает, что вода, уже нагретая до 100°, без дальнейшего повышения температуры при переходе из жидкости в газ той же температуры, поглощает количество тепла почти в 5,5 раз - большее, чем то, которое было поглощено водой для перехода от тем­пературы таяния льда к температуре кипения. В этом отношении, как и во многих других, вода представляет собою особенную жидкость; это видно из нижеследующей таблицы, в которой указаны температуры кипения и теплоты испарения различных жидкостей.

Наименование жидкостей	Температура кипения	Теплота испарения в калор./кг
Эфир	35°С	90
Уксусная кислота	120°С	102
Спирт	78,5°С	208
Метиловый спирт	66,5°С	264
Вода	100°С	537

Необходимость холода для существования сжиженных газов при атмосферном давлении.

Заметим, что в открытом сосуде невоз­можно нагреть жидкость выше ее точки кипения, так как усилением нагревания мы можем вызвать только более бурное кипение, но не превысить температуру кипения. Другими словами, ни одна химически чистая жидкость не может в нормальных условиях существовать под давлением атмосферы при температуре, превышающей точку кипения данной жидкости. Если правильны заключения физиков, рассматривающих газы, как пары чрезвычайно летучих жидкостей, то эти газы уже при очень низких температурах обладают необходимой для кипения упругостью, равной одной атмосфере, и вследствие этого эти жидкости могут существовать под давлением атмосферы только при очень низких температурах. Таким образом, мы постигаем сущность той роли холода для сжижения газов, которую предсказал Лавуазье, В том, насколько велико значение холода, мы убедимся далее, когда увидим, что во всех случаях, единственное обстоятельство, достаточное само по себе для достижения сжижения во всех случаях, это действие холода: ни один газ, даже гелий, не сможет противостоять достаточному холоду. Нет никакого сомнения, что физики, занимавшиеся этой интересной проблемой, очень приблизились бы к решению ее, если бы приняли это положение. Правда, получение очень низких температур могло бы им показаться одним из наибольших затруднений в физике. Но увеличив свои усилия - а поставленная проблема достойна этого - нет никакого сомне­ния, что, вследствие большого прогресса физики, они открыли бы те удивительно простые способы, которые служат нам сейчас, для полу­чения глубокого холода.

Влияние давления на температуру кипения.

а) Уменьшение давления. Мы только что видели, что при нагре­вании какой-либо жидкости под давлением атмосферы, кипение начи­нается в тот момент, когда постепенно увеличивающаяся упругость паров достигает величины, уравновешивающей атмосферное давление. Уменьшим действующее на жидкость давление, поместив ее в закрытый сосуд, из которого частично выкачан воздух; ясно, что более низкая упругость пара при низшей температуре сможет преодо­леть существующее уменьшенное давление и тем самым вызвать кипение: температура кипения при этих условиях окажется ниже нормальной, и чем совершеннее пустота в сосуде, заключающем нашу жидкость, тем температура кипения соответственно ниже.

Сама природа в некоторых случаях подтверждает правильность изложенного. На вершинах гор, например, мы имеем давление ниже атмосферного, при чем понижение давления равно давлению столба воздуха от подошвы горы до ее вершины. При восхождении Соссюра на Монблан, знаменитого альпиниста поразило то обстоятельство, что на обледенелой вершине альпийского колосса, он с большим трудом мог сварить в кипящей воде яйца вкрутую, настолько была там понижена температура кипения воды.

Вот другой, еще более разительный пример!

При действии воздушного насоса, постепенно увеличивающего разрежение в сосуде с водой, температура кипения воды может упасть ниже точки замерзания: при таких условиях яйца вкрутую становятся в действительности мифом! А ведь для хорошего воздушного насоса не представляет особой трудности поддерживать над жидкостью, заключенной в закрытый сосуд, давление в 1 - 2 лиг, и так как при 0° упругость паров воды равна 4,6 мм, то, очевидно, вода при этой температуре и при указанном давлении должна закипеть, так как упругость паров воды в этих условиях значительно превосходит давле­ние, существующее в сосуде.

Холодильные машины, построенные на принципе испарения. Из сказанного очевидно, что испарение, происходящее в описанных условиях может служит источником очень значительного охла­ждения .

Если, например, соединить сосуд, наполненный водой, с вакуум-насосом достаточной мощности и заставить последний работать, то по истечении некоторого времени вода бурно закипит, так как насту­пит момент, когда при той температуре, при которой находится вода, упругость ее паров превысит то уменьшенное давление, которое поддерживается действием насоса. Так как в данном случае теплота, поглощаемая испарением и уходящая вместе с парами, доставляется не каким-либо посторонним источником, а заимствуется из самой жидкости, то последняя довольно быстро охлаждается; ввиду того, что давление поддерживается беспрерывно действующим насосом ниже упругости пара, несмотря на уменьшение. последней по мере понижения температуры жидкости, то кипение будет продолжаться, охлаждение .усиливаться, и благодаря этому в определенный момент жидкость превратится в твердое тело.

Этот красивый опыт послужил основанием при конструировании ледоделательных машин. Так, например, в ледоделательной машине Карре в основание положен принцип поглощения паров воды серной кислотой (жадность, с которой вода соединяется с серной кислотой - общеизвестна). Тот же принцип заложен в исключительной машине, настоящего борца за здравый смысл, знаменитого инженера Леблана, в которой выполнение работы по замораживанию воды было возложено на струю пара. Эта струя пара, посредством инжектора Жиффара создавала разрежение воздуха и великолепно действовала в моделях, построенных фирмой Вестингауз, экономично замораживая десятки центнеров в час!

Таким образом, мы видим, что если при помощи воздушного насоса поддерживать определенное разрежение над жидкостью, последняя быстро доходит до температуры, при которой упругость пара приблизительно равна пониженному давлению, поддерживаемому воздушным насосом, и, пока упругость пара превышает давление, жидкость кипит и при этом продолжает охлаждаться. Если же жидкость очень летуча, т. е. если пары ее до самых низких температур имеют достаточную упругость, то эти низкие температуры могут быть получены путем простого испарения такой жидкости в вакууме.

Так, например, серный эфир, упругость паров которого при -40°С еще превышает 5 мм, может быть охлажден ниже этой температуры, путем простого испарения под давлением в 5 мм. Но вместо того, чтобы получать в сильно разреженной атмосфере очень низкую температуру путем испарения очень летучей жидкости, часто имеет смысл получать не столь уж низкую температуру, пользуясь для этого и не слишком сильным разрежением. Возьмем для примера тот же серный эфир, упругость паров которого при -10°С равна 111 мм; эта довольно низкая температура может быть легко достигнута испарением жидкости при сравнительно незначительном разрежении, которое без особого труда создадут воздушные насосы значи­тельно менее мощные и менее сложные, чем те, которые понадобились бы для воды. Можно легко себе представить, что для разрежения пара до давления, например, 2 мм ртутного столба нужно будет затратить значительную работу, и для получения положительных результатов потребуются насосы огромных объемов. Испарение летучих жидкостей сделалось в настоящее время наиболее распространенным способом, применяемым для получения холода и этот принцип используется в очень широких масштабах в практике холодильного дела в тысячах машин: как например, в маши­нах с хлористым метилом, сернистым ангидридом, аммиачных, углекислотных и.т.д.

б) Действие повышения давления. Мы уже видели, что с умень­шением давления, под которым находится жидкость, понижается температура ее кипения. Наоборот, будем увеличивать давление: мы увидим, что для того, чтобы сообщит парам этой жидкости упругость, преодолевающую это давление, нам придется нагреть жидкость выше той температуры, чем это понадобилось бы при нормальных условиях. И чем больше будет давление, тем выше будет температура кипения.

Вот почему в паровых котлах вода при давлении в 15 атмосфер закипает только при 199°.Очевидно, с небольшими познаниями некоторых законов при­роды можно расплавлять в воде не только олово, но и свинец!

Заметим, что повышенное давление, которое следует прило­жить к нагреваемой жидкости, для повышения ее температуры кипения, образует сама жидкость, если только последняя заключена в закрытом сосуде. Очевидно, что в этом случае над поверхностью жидкости автоматически устанавливается давление, равное в каждый данный момент упругости скопляющихся над жидкостью паров. Следует заметить, что при этих условиях, которые аналогичны тем, которые существуют в паровом котле при разведении паров, кипе­ние воды не может начаться до тех пор, пока не выпустят часть пара. Упругость пара в данном случае соответствует испытанному жидкостью давлению, и последнее, вследствие этого, не может быть преодолено. Пока тепло, доставляемое топкой, не удаляется с расходуемым паром, оно почти полностью уходит на нагревание жидкости; при этом температура подымается довольно быстро, а одновременно с темпера­турой жидкости возрастает упругость ее паров, а вследствие этого и давление. И только тогда, когда давление^: уже значительно повышено, выпуская часть пара и понижая тем самым давление, создают вследствие этого условия, при которых упругость пара несколько превышает да­вление, что дает возможность начаться кипению. Тогда давление пе­рестает повышаться, так как тепло, доставляемое топкой, расходуется вместе с уходящим паром. Ниже помещенная таблица, составленная Regnault, показывает те громадные колебания температуры кипения воды, которые находятся в зависимости от давления. Собственно говоря, при соста­влении этой таблицы преследовалась цель указать упругость паров воды при соответствующих температурах; но мы знаем уже, что эти величины (упругость пара и температура кипения) связаны между собою, и что кипение начинается в тот момент, когда разность между испытываемым жидкостью давлением и упругостью ее паров стано­вится бесконечно малой.

Темпера­тура	Упругость пара в атмо­сферах	Темпера­тура	Упругость пара в атмо­сферах	Температура	Упругость пара в атмо­сферах
80°	0,47	130°	2,67	180°	9,93
90°	0,69	140°	3,58	190°	12,2
100°	1,00	150°	4,71	200°	15,38
110°	1,41	160°	6,12	365°	200,50
120°	1.96	170°	7,84

Мы уже видели, что повышение давления является тем средством, которое дает возможность поднимать температуру жидкости выше - и даже значительно выше - ее точки кипения при атмосферном давлении. Это положение, которое нам кажется сейчас чрезвычайно простым, дало ученым прошлого века много успехов, но в то же время было причиной многих бесплодных усилий.


Предположим, что мы имеем гипотетическую жидкость соответствую­щую какому-нибудь определенному газу: естественно, что эта жид­кость под атмосферным давлением существует только при очень низ­кой температуре; но если мы эту жидкость заключим в закрытый сосуд, то сможем подвергнуть ее нагреванию и повысившееся при этом давление поднимет и температуру ее кипения. Если наш опыт продолжить до получения значительных, а в случае необходимости и громадных давлений, то нет видимых оснований понять, что помимо всякого охлаждения достаточно настоящий газ надлежащим образом подвергнуть повышенному давлению, чтобы вызвать его сжижение. Сейчас мы увидим смысл этого заключения; мы увидим, повто­ряю, все удовлетворение, но также и разочарование, которое оно принесло ученым; но прежде всего установим, что такое “надлежа­щие” условия для сжижения.

Превращение насыщенного пара в жидкость под влиянием давле­ния, превышающего его упругость.

Вернемся к нашей барометрической трубке и вспомним, что мы ее оставили в тот момент, когда под влиянием сообщаемой извне теплоты возрастало давление пара и вследствие этого столб ртути понизился до уровня ртути в сосуде, следовательно, уравновесился под влиянием действующих на него двух равных и взаимно противоположных сил: с одной стороны, атмосферного давления, которое стремится повысить уро­вень столба ртути в трубке до 760 мм, а с другой стороны, упругости пара введен­ной в трубку жидкости, при температуре ее кипения в нормальных условиях, пре­пятствующей этому повышению уровня. Понятно, мы не забыли, что жидкость введена в трубку в избытке, и что мы в рассматриваемом случае имеем дело с на­сыщенным паром. Теперь, не изменяя температуры, погрузим трубку в сосуд примерно, на 10 см. Этим простым действием мы вызовем чрезвычайно интересное явление. Следовало бы, казалось, ожидать, что уровень ртути, заключенной в трубке одновременно с погруже­нием последней, опустится на несколько сантиметров ниже уровня ртути, заполняющей сосуд; это и случилось бы, если мы имели бы дело с обыкновенным газом. В рассматриваемом случае этого не произойдет. Ведь если бы уровень ртути в трубке понизился, пары оказа­лись бы под некоторым больщим давлением, и возрастание послед­него равнялось бы величине понижения уровня. А ведь это является, безусловно, немыслимым, так как при температуре кипения, поддерживаемой внешним источником тепла, пары обладают упругостью ой одной атмосфере. Таким образом, против наших ожиданий, ртутный столбик, под уровнем погружения трубки, не понизится и, сколько бы мы это ужение трубки не продолжали, ртуть в трубке будет оставаться одном уровне с ртутью сосуда. Пространство, занятое парами, будет по мере погружения трубки все время уменьшаться, в своем объеме, при компрессии паров произойти не может, как внутреннее давление все время тается равным атмосферному. Что же в таком случае происходит? Только то, что по мере погружения трубки в сосуд пары постепенно конденсируются, т. е. сжижаются. Так оно и происходит в действитель­ности, и мы видим, что жидкость, оса­ждается на стенках трубки и, по мере даль­нейшего погружения трубки, количество получающейся жидкости все время увели­чивается. Если сосуд настолько глубок, что мы можем целиком погрузить в него нашу трубку, то в тот момент, когда ее вершина достигнет уровня ртути в сосуде, заполненное парами пространство в трубке совершенно исчезнет, и жидкость, вначале впущенная в трубку, опять займет свой первоначальный объем. Во время совершения описанного опыта, нами поддерживалась, как это уже указывалось, нормальная температура кипения. Проде­лаем этот же опыт при какой-либо иной температуре и мы получим тот же результат к еще некоторые интересные указания. Будем поддерживать температуру, например, в 60°С, при чем жидкость вводимая в трубку, остается прежней - вода. При этой температуре высота столба ртути в трубке очень значительна и равна 611 мм, что, приблизительно, соответствует упругости паров воды при этой температуре по таблице Реньо 760-611 = 149 мм. Погрузим трубку в сосуд; по тем же причинам, что и в прежнем опыте, ртуть останется на высоте 611 мм, независимо от степени погружения (рис. 8, 9 и 10), а стенки трубки снова покроются влагой.

Интересно отметить следующий факт: ранее, при 100°С сжижение насыщенных паров воды происходило при давлении, равном давлению целиком опущенного ртутного столба, т. е. при 760 мм, теперь же, при 60°С ртуть оказывает на пар давление только в 760- 611 -149 мм, равное упругости пара, т. е. таким образом мы видим, что в данном случае сжижение происходит под значительно меньшим давлением, чем в предыдущем. Если же мы повторим тот же опыт при 20°С то мы будем иметь еще более низкое давление равное 17,4 мм, и наобо­рот, при температуре в 140° давление будет более высоким, равным 2718 мм или 3,57 атмосферам.

Из сказанного можно вывести следующее заключение: чем ниже температура, тем легче, т. е, при меньшем давлении, можно произ­вести сжижение паров. Этот закон является общим и намечает те вехи, по которым следует идти в деле сжижения не только паров, но и газов, и вместе с тем указывает необходимость одновременного при­менения для этой цели и холода и давления.

В заключение следует указать, что при увеличении давления испытываемого насыщенным паром сверх его собственной упругости, пар сжижается, и это явление продолжается при том же давлении до полного сжижения.

Обратимость явлений испарения и сжижения.

Если трубку, погруженную до полного исчезновения пространства, занятого парами и столь же полного их сжижения, начать постепенно вытаскивать из ртути, в которую она погружена, то мы будем свидетелями тех же явлений, которые мы видели при ее погружений, по в обратном по­рядке.

Жидкость начнет кипеть и, по мере поднимания трубки начнут снова образовываться пары, но в данном случае, как и ранее, уровень ртути в трубке останется неизменным до тех пор, пока жидкость будет в избытке.

Этот обратный порядок явлений нам ясно показывает, что кипе­ние и сжижение представляют собою обратные друг другу - процессы; они происходят при одинаковой температуре, под одним и тем же давлением, с той только разницей, что при кипении существует незна­чительное преобладание упругости пара над давлением, а при обрат­ном явлении – сжижении - незначительное преобладание давления над упругостью насыщенного пара.

Другими словами, при определенной температуре жидкости, пары ее обладают вполне определенной упругостью, и если давление в за крытом сосуде, в котором находится жидкость, несколько ниже, чем эта упругость (случай постепенного вытаскивания погруженной в барометрической трубки), то мы будем наблюдать кипение, наша жидкость постепенно испарится, при постоянном давлении.

Если же, наоборот, давление стремится к некоторому преобладанию упругостью пара (погружение барометрической трубки или е насыщенных паров в закрытом сосуде, имеющем ту же температуру, что и пары), пар конденсируется, и мы будем наблюдать сжижение. Таким образом, температура кипения какой-либо жидкости, под определенным давлением является в то же время и температурой сжижения насыщенных, паров этой жидкости, при том же давлении.

Теплота сжижения.

Обратимость явлений в нашем опыте проявляется не только в испарении и сжижении. Мы уже видели, что одним из наиболее существенных факторов, характеризующих кипение, является поглощение громадного количества тепла, так называемой, теплоты испарения.

Естественно, что в тот момент, когда пар переходит в жидкое состояние, вся эта теплота освобождается - это теплота сжижения. Если сжижение происходит при той же температуре и том же давлении, как и кипение, то ясно, что вследствие своего происхождения теплота сжижения в точности равна теплоте испарения.

Таким образом, пар, сжижаясь, выделяет большое количество тепла; понятно, во избежание приостановки сжижения необходимо то тепло удалять по мере его выделения, В вышеописанном опыте эта роль выполнялась той вспомогательной жидкостью, которая циркулирует в стеклянной муфте, окружающей барометрическую трубку и поддерживает желаемую постоянную температуру. Если бы этого не было, то при погружении трубки в ртуть, теплота, выделяющаяся вследствие сжижения, увеличила бы упругость пара, начавшееся было сжижение прекратится, и все наши выводы были бы направлены по ложному пути. Предполагаем, что все эти опыты, так же как и последующий происходят при постоянной температуре. Явлением освобождения громадного количества тепла при конденсации пара пользуются для нагревания; далее мы увидим, какую пользу приносит это явление при извлечении кислорода из воздуха посредством его сжижения.

Сжижение путем простого охлаждения.

Возьмем газ, сообщающийся с атмосферой или заключенный в газометр и, вследствие этого, подверженный атмосферному давле­нию; предположим сначала, что он находится при обычной, темпе­ратуре. Так как он уравновешивает атмосферное давление, то, оче­видно, упругость его равна одной атмосфере. Как уже указывалось, “упругость насыщенного пара какой либо чрезвычайно летучей жидкости при обычной температуре равна нескольким атмосферам”, т. е. необходимо давле­ние в несколько атмосфер, чтобы превратить этот газ в насыщен­ный пар. Итак, повторяя сказанное, мы снова указываем, что наш газ, представляет собою пар, очень далекий от состояния насыщения. Начнем же его постепенно охлаждать. Упругость насыщенного пара по мере понижения температуры, становится все меньшей. И так как собственная упругость нашего газа все время остается равной одной атмосфере, следует заключить, что вследствие охлаждения разность упругостей газа и насыщенного пара все время уменьшается; газ все более и более приближается к состоянию насы­щения. Последнее будет достигнуто, когда температура будет пони­жена до того предела, при котором упругость насыщенного пара тоже равняется одной атмосфере. Таким образом, достаточное охлаждение превратило наш газ в насыщенный пар, и если произ­вести дальнейшее охлаждение, то атмосферное давление пересилит упругость пара и произойдет сжижение.

Если при этом атмосферное давление будет действовать на газ находящийся при температуре несколько более низкой, чем та, кото­рая, -соответствует упругости насыщения в одну атмосферу, и если отводить теплоту сжижения, то, естественно, сжижение будет продол­жаться до полного исчезновения пара. Если же, наоборот, пар при этой температуре был заключен в закрытый сосуд с неизменяющимся объемом, то сжижение будет уменьшать внутреннее давление, поэтому конденсация окончится в тот момент, когда внутреннее давление бу­дет доведено до упругости насыщенного пара, соответствующей достигнутой температуре,

Такова техника сжижения путем простого охлаждения, и мы уже говорили, что нет никакого предела применению этого про­цесса и что можно вызывать сжижение самых трудно сжижаемых га­зов, если охлаждение будет достаточно энергичным. Непрерывное и быстрое понижение упругости пара при понижении температуры является в действительности явлением общим для всех, абсолютно, газов и для каждого газа всегда существует та достаточно низкая температура, при которой эта упругость будет не более I атмосферы. Монж и Клуэ в конце ХVIII века с помощью этого способа добились одного из первых сжижений, которое было отмечено в истории физики. Пропуская сернистый ангидрид в U-образную трубку, погруженную в охлаждающую смесь из льда и соли, они заметили, что эта трубка потихоньку наполняется бесцветной, очень подвижной жидкостью, сильно напоминающей воду - жидким сернистым ангидридом. И на самом деле, при -10°С, температуре, получаемой очень легко при помощи смеси из льда и соли, упругость насыщения сернистого анги­дрида равна, приблизительно, только 0,9 ат­мосферы. Следовательно, газообразный сер­нистый ангидрид в U-образной трубке не может противопоставить атмосферному давлению доста­точную силу упругости и вследствие этого сжи­жается. Плотность жидкого сернистого ангидрида, приблизительно в полтора раза больше плотно­сти воды. В согласии с теорией, жидкий сернистый ан­гидрид, помещенный в открытом сосуде, под атмосферным давлением принимают температуру в -8°С, температуру, при которой упругость его паров равна одной атмосфере. С этой жидко­стью проделывают опыт, который с очевидностью доказывает невоз­можность даже с помощью чрезвычайно мощных источников тепла изменять температуру кипения жидкости при атмосферном давлении. Поместим в огонь сосуд, наполненный жидким сернистым ангид­ридом: температура жидкости останется равной -8°С и будет все время держаться на этом уровне из-за быстрого испарения. Если мы теперь в эту жидкость нальем некоторое количество воды, последняя мгно­венно замерзнет и из имеющегося перед нами очага, дающего много тепла, мы сможем вынуть кусок льда - явление, поражающее своей необычностью и - служащее ярким доказательством справедливости вышеуказанного утверждения. При температуре 20°С, в стальных баллонах, которые служат для хранения сернистого ангидрида для нужд промышленности и, в частности, для холодильных машин , упругость паров его равна приблизительно 3,2 атмосферы.

Способ, аналогичный описанному, был применен Гюитоном де Морво для сжижения аммиака; но у этого газа упругость насыщен­ных паров только при -33,5°С равна одной атмосфере. Смесь льда и соли, максимально может понижать температуру -21°С, и поэтому не годится в данном случае; Гюитон де Мор добился успеха только тогда, когда применил смесь льда и хлори­стого кальция, которая дает минимальную температуру близкую к -50°С. Вид жидкого аммиака так же, как сернистого ангидрида и многих, сжиженных газов, по внешности схож с водой. Его темпера­тура на открытом воздухе - 33,5°С, т. е. другими словами при этой температуре упругость его паров равна 1 атмосфере.

При +20°С упругость паров аммиака равна 85 атм.; под этим давлением его нагнетают в стальные баллоны для хранения.