KFY/FNTEP Bc. Roman Witasek

Prezentace na téma: "KFY/FNTEP Bc. Roman Witasek"— Transkript prezentace:

1 KFY/FNTEP Bc. Roman Witasek
Kryogenní kapaliny KFY/FNTEP Bc. Roman Witasek

2 Přehled kryokapalin vzduch kyslík (Liquid oxygen LO2 nebo LOX)
dusík (LN2) argon (LAr) krypton (LKr) xenon (LXe) neon (LNe) vodík (LH2) helium (LHe)

3 Složení suchého vzduchu
složka % obj. % hm. parc. tlak (Pa) dusík 78,085 75,52 7,86.104 kyslík 20,947 23,15 2,13.104 argon 0,934 1,288 9,46.102 oxid uhličitý 0,03 – 0,13 0,046 20 – 40 neon 1, 1,2.10-3 1,86 helium 5, 7,2.10-5 5,3.10-1 krypton 1, 3,3.10-4 1,2 vodík 5.10-5 3,5.10-6 5.10-2 xenon 8,7.10-6 3,9.10-5 8.10-3 methan 1,5.10-4 0,8.10-4 2.10-1 ozon 10-6 – 10-5 2.10-3 radon 6.10-4 4, 10-15

4 Složení atmosféry v závislosti na výšce

5 Fázový diagram směsi O2 a N2

6 Kapalný vzduch – bezpečnostní předpisy a výhody
bezpečnostní předpisy platné pro LO2 ekonomické výhody (odpadá rektifikace)

7 Kyslík- vlastnosti 2. hlavní složka atmosféry (≈ 21 % obj.)
16O (99,76 %), 17O ( %), 18O ( %) Tv (90,19 K), Tk ( 154,75 K), pk (4,98 MPa) ρt.v.= 1140 kg.m-3 legenda: Tv…teplota varu za normálního tlaku Tk/pk…kritická/ý teplota/tlak ρt.v…hustota LO2 při teplotě varu

8 Kyslík (LO2) – zajímavé vlastnosti
polymer O4 – modravé zbarvení LO2 silně paramagnetická kapalina (χm = 1,003) - separace LO2 od O2 v beztížném stavu - podle změn χm lze měřit koncentraci O2 ve směsi diamagnetických plynů legenda: χm…magnetická susceptibilita při bodu varu

9 Kyslík (LO2) – reaktivita, bezpečnostní předpisy
oxidující, podporuje hoření přísné bezpečnostní předpisy, „ kyslíková čistota ” („LOX clean”) - zabránit styku s org. l. (oleje, tuky, asfalt) – nebezpečí exploze!!! - další nevhodné materiály – Al, Ti, ocel nepříznivé účinky na zdraví člověka: - kontakt s LO2 způsobuje těžké omrzliny a vážné poškození očí

10 Materiály vhodné pro práci s kapalným kyslíkem
materiály z mědi, mosazi (Cu+Sn), bronzu (Cu+Zn), monelu (Ni+Cu), čistého azbestu nádoby před použitím opískovány, omývány kyselinou a detergentem, oplachovány demineralizovanou vodou

11 Vznik kapalného kyslíku při práci s jinými kryokapalinami
LO2 resp. kapalina s vysokým obsahem O2 může vznikat kondenzací vzduchu na tepelně neizolovaných trubicích, jimiž prochází odpařované He nebo LN2

12 Výroba LO2 frakční destilace zkapalněného vzduchu (99 %)
- O2 je méně těkavější (90,19 K) než N2 (77,3 K), tedy jeho koncentrace v parách nad vroucím kapalným vzduchem je nižší, naopak se jím postupně obohacuje fáze kapalná - LO2 se získává z horní nízkotlaké kolony, kam přichází ve formě par ze spodní vysokotlaké kolony (viz. schéma na snímku 14) (elektrolýza vody – 1%)

13 Kapalný dusík (LN2) bezbarvá kapalina, ρt.v.= 804 kg.m-3
Tv (77,3 K), Tk (126,1 K), pk (3,4 MPa) Δ Hvýp = 199 kJ.kg-1 legenda: Δ Hvýp…výparné teplo

14 Výroba LN2 destilace zkapalněného vzduchu
- N2 je těkavější než O2, získává se jako destilát

15 Srovnání LN2 s LO2 z hlediska bezpečnosti
LN2 není klasifikován z hlediska vzniku výbuchu na rozdíl od LO2 jako látka nebezpečná (zákon č. 356/2003 Sb. – zákon o chemických látkách a chem. přípravcích) kontrola znečištění LN2 (max % O2) - jaderné reaktory (vznik nebezpečné směsi O3 a NOx ozářením) nepříznivé účinky na zdraví člověka: - při vyšších koncentracích působí dusivě, potřísnění může způsobit omrzliny

16 Využití LN2 v laboratořích
tepelný štít mezi nechlazenými stěnami na pokojové teplotě a částmi na nižší teplotě (např. na teplotě LHe) v laboratoři texturních parametrů – např. adsorpce plynu na vhodném sorbentu v aparatuře ponořené v LN2

17 Argon - vlastnosti LAr: inertní a netoxický plyn
v kap. stavu jen v úzkém rozmezí několika K bezbarvá kapalina, ρt.v.= 1390 kg.m-3 Tv (87,27 K), Tk (150,8 K), pk (4,83 MPa) Δ Hvýp = 160 kJ.kg-1

18 LAr – aplikace, výhody hlavně svařování (ochranná atmosféra)
výroba neželezných kovů elektronika poměrně snadno získáván destilací zkapalněného vzduchu (1 % obj.)

19 Krypton - vlastnosti LKr: bezbarvý plyn, téměř inertní
bezbarvá kapalina, ρt.v.= 2413 kg.m-3 Tv (121,3 K), Tk (210 K), pk (5,4 MPa)

20 Krypton - využití plynný v elektronickém průmyslu (kryptonky)
- velká Ar (83,8) snižuje vypařování a tep. ztráty vláken – vyšší teploty, větší svítivost plynová encefalografie detekce netěsností – radioaktivní 85Kr

21 Xenon - vlastnosti LXe: inertní, netoxický, bezbarvý plyn
ze složek vzduchu nejtěžší a nejvzácněji zastoupen LXe: ρt.v.= 2987 kg.m-3 Tv (164 K), Tk (289,7 K), pk (5,83 MPa)

22 Xenon - aplikace žárovky automobilů plazmové obrazovky TV
moderní narkotizační plyn - možnost přesného řízení doby uspání - bez nežádoucích vedlejších účinků

23 Neon LNe: inertní, netoxický plyn
bezbarvá kapalina, ρt.v.= 1206 kg.m-3 Tv (27,1 K), Tk (44,4 K), pk (2,6 MPa) Δ Hvýp = 86 kJ.kg-1

24 Neon - aplikace velmi používaná kryokapalina pro mechanické zkoušky vlastností materiálů chlazení infrasnímačů

25 Vodík – vlastnosti, izotopy
bezbarvý, nejlehčí plyn (Mr = 2,01588) přísné bezpečnostní předpisy při práci s H2 a LH2 - výbušná směs (4-77 % obj. H2 ve vzduchu) deuterium ,0156 % - molekuly HD, (D2) tritium radioaktivní, - emise částic β- (t1/2 =12,35 let)

26 Vodík - izotopy legenda: Ttb…teplota trojného bodu vlastnost H2 D2 T2
Tv (K) 20,39 23,67 25,04 Tk (K) 33,19 38,35 40,6 (vypočteno) Ttb (K) 13,96 18,73 20,6 Pk (MPa) 1,315 1,665 1,834 (vypočteno) Δ Hvýp (kJ.mol-1) 0,904 1,226 1,393 legenda: Ttb…teplota trojného bodu

27 Orthovodík, paravodík 2 formy molekul H2 lišících se orientací jaderného spinu orthovodík – spiny stejného směru (paralelní) - výsledný jaderný spin je 1 (1/2 +1/2) paravodík – spiny opačného směru (antiparalelní) - výsledný jaderný spin je 0

28 Směs ortho- a paravodíku
každé teplotě odpovídá jiné rovnovážné složení směsi ortho- a paravodíku za nízkých teplot převažuje paravodík (nižší energie) ,,0 K (100 % para-)” - 20 K (99,79 % para-)- směs e-H2 - 77 K srovnatelné množství obou forem normální vodík (n-H2) = směs 75 % ortho- a 25 % paravodíku za běžné teploty při n. b.v.(20,28 K) – pomalá spontánní konverze LH2 (ortho- → para-)

29 Helium 1868 (Lockyer) – objev ve slunečním spektru (Helios – Slunce)
vzácný, nejobtížněji zkapalnitelný plyn zdrojem je zemní plyn LHe: (normální kapalné 4He) bezbarvá kapalina, ρt.v.= 125 kg.m-3 Tv (4,215 K), Tk (5,20 K), pk (0,226 MPa) Δ Hvýp = 23,5 kJ.kg-1, n=1,02 (těžko pozorovatelná)

30 Helium - izotopy 4He – nejčetnější
plynná fáze je od tuhé fáze oddělena širokou oblastí kapalného stavu – He I (normální) a He II (supratekuté), kapalná fáze je protažena až k 0 K a tuhá fáze může existovat při tlaku nad 2,5 MPa 3He – vzácný, získává se při jaderné reakci: L3He – nejnižší známý bod varu (3,2 K) 1972 – experiment. potvrzena supratekutost (2,6 mK) užití v aparaturách pro dosahování teplot pod 1 K

31 Fázové diagramy helia