Zkapalňování plynů

Kapalnění plynů Pro každý plyn existuje jistá tzv. kritická teplota, která představuje mezní hodnotu teploty, nad níž nelze plyn žádnými postupy zkapalnit. Hodnoty kritické teploty některých plynů jsou uvedeny v MFChT, např. kritická teplota oxidu uhličitého je 31 oC a jeho zkapalnění stlačením a ochlazením se podařilo již v roce 1823 anglickému fyzikovi Michaelu Faradayovi a Humphry Davymu. Kritická teplota plynů, z nichž je složen vzduch, je ovšem podstatně nižší a vzduch bez CO2 má kritickou teplotu velmi nízkou (-141 oC). Proto i technologie zkapalňování těchto plynů je podstatně složitější. Používá se např. kaskádní metoda, při níž se teplota postupně snižuje tím, že se ve vakuu vypařuje zkapalněný plyn, čímž se docílí snížení teploty. Při této teplotě se zkapalní plyn, který má nižší kritickou teplotu.

Teploty kapalných plynů v medicíně Teplota zkapalněného plynu Etylen -103°C Kyslík -183°C CO -190°C Vzduch -193°C Dusík -196°C Vodík -253°C Helium -268,9°C

Nejdéle odolávalo zkapalnění helium Nejdéle odolávalo zkapalnění helium. I to však v roce 1908 zkapalnil holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes pomocí Joule-Thomsonova jevu. Při pokusech s kapalným heliem dosáhl v té době nejnižší teploty 4,2 K. Američan Keason díky nízkému tlaku (přibližně 5 miliontin atmosférického tlaku) dosáhl teploty 0,07 K. V roce 1925 Peter Debye teoreticky předpověděl a Wander Johannes de Haas uskutečnil další postup dosahování nízkých teplot pomocí adiabatické demagnetizace paramagnetických solí. Pomocí tohoto zařízení se jim podařilo získat teplotu 0,0047 K. Debye navrhl použít předchlazenou paramagnetickou sůl. Ta po zmagnetování a následném prudkém odmagnetování přemění uspořádání částic. Na to je ale samozřejmě potřeba vnitřní energie, a proto se látka ochladí.

Lindeův stroj Je zařízení na laboratorní zkapalňování plynů, např. dusíku (LN2), založené na Joule-Thomsonovu jevu. Při činnosti stroje expanduje plyn z tlaku řádově 106 Pa asi na 105 Pa, a tím ochlazuje další plyn, který ještě neexpandoval. Jedná se o adiabatický děj. Opakováním tohoto pochodu se dosáhne zkapalnění. Kompresí vzduchu postupně dostáváme frakcionované zkapalnění jeho částí.

Prof.Carl von Linde

Joule-Thompsonův jev Pokus Tento jev lze demonstrovat na následujícím pokusu, jehož uspořádání je zobrazeno na obrázku. V izolované trubici s písty 1 a 2 na obou stranách je umístěn plyn. Trubice je rozdělena na dvě části pomocí pórovité zátky Z, která má umožnit proudění plynu, ale zabránit vzniku vírů, které vznikají při proudění otvorem a ovlivňují teplotu plynu. Plynu o tlaku p1 je tak umožněno protékat trubicí a expandovat na tlak p2. Podobné snížení tlaku vznikající při průchodu plynu nějakou překážkou se označuje jako škrcení plynu.

Joule-Thomsonův koeficient Poněvadž se teplo nepřivádí ani neodvádí, jedná se o adiabatický děj. Podle první hlavní věty termodynamiky platí ΔU = U2 − U1 = p1V1 − p2V2 = ΔW, tzn. změna vnitřní energie je rovna vykonané práci, což lze zapsat ve tvaru H = pV + U = konst, kde H označuje entalpii. Při expanzi plynu se tedy mění vnitřní energie plynu, avšak entalpie zůstává konstantní, tzn. ΔH = 0.

Z totálního diferenciálu entalpie plyne při expanzi plynu záporný koeficient. Je-li tedy před expanzí plynu , bude Joule-Thomsonův koeficient záporný, je-li , bude Joule-Thomsonův koeficient kladný. O znaménku Joule-Thomsonova koeficientu rozhoduje vzájemný vztah van der Waalsových koeficientů a a b. Převládá-li b, je dT > 0 a dp < 0 a dochází k oteplení.

William Thomson – lord Kelvin William Thomson (26. června 1824 Belfast - 17. prosince 1907 Netherhall u Largsu (Skotsko)) známý spíše pod svým šlechtickým jménem lord Kelvin of Largs byl skotský fyzik a jeden z nejvýznačnějších fyziků vůbec. Do svých deseti let byl vzděláván otcem. S ním pak přešel na univerzitu v Glasgow. V patnácti letech už psal pojednání o vedení tepla. Později studoval v Cambridgi a pak pracoval v Paříži u H. V. Regnaulta, kde se věnoval kalorimetrii. Po návratu byl jmenován profesorem fyziky, kterým byl po neuvěřitelných 53 let (1846-1899). Během svého života sestrojil řadu vynálezů. Například kvadrantový elektroměr, přístroje pro měření elektřiny v atmosféře, nový typ buzoly, a mnoho dalších. Je po něm pojmenována jednotka teploty Kelvin a takzvaný Joule-Thomsonův efekt. Osobně se také podílel na kladení transatlantických kabelů. Za to byl povýšen do šlechtického stavu a materiálně zajištěn

James Prescott Joule James Prescott Joule (24. prosince 1818 Salford u Manchesteru, 11. října 1889) byl anglický fyzik. Studoval povahu tepla, a objevil její vztah k mechanické práci a energii. To vedlo k teorii zachování energie (První zákon termodynamiky). Spolupracoval s Williamem Thomsonem na vytvoření absolutní teplotní stupnice, provedl pozorování magnetostrikce a našel vztah nyní nazývaný Jouleův zákon.

Dětství Narodil se jako čtvrtý syn Benjamina a Alice Joulových. První dva chlapci, které spolu měli, zemřeli v dětství. Po něm se narodili ještě tři sourozenci - Alice, která zemřela ve 14 letech, sestra Mary a bratr John. V mládí trpěl chorobou páteře, což mělo velký vliv na jeho uzavřenější a stydlivější povahu. Nechodil do normální školy, ale byl vyučován domácími učiteli. Ve čtrnácti letech počal navštěvovat univerzitu v Manchesteru, ale již o dva roky později ji opustil kvůli studiu u významného britského chemika a fyzika Johna Daltona zastánce atomistické teorie. Jako dítě měl rád vlaky a tento zájem o parní lokomotivy zřejmě ovlivnil jeho pozdější vztah k tepelné energii a k termodynamice. První experimenty Ačkoliv pracoval v otcově pivovaru, jeho zájem tkvěl v experimentování s jevy, jež jsou v přírodě samovolné. John Dalton mu vštěpoval, že musí být naprosto přesný experimentátor. Dalton krom učení aritmetiky a geometrie jej zasvěcoval do chemie. V průběhu školení se stal velmi zručný v práci s laboratorním zařízením. Po návratu domů mu jeho otec nechal postavit laboratoř. James si dokázal vyrobit měřící přístroje s opravdu vysokým stupněm přesnosti. Od roku 1837 do 1856 pracoval v rodinném pivovaru. Doufal, že nahradí parní stroje elektrickými motory. Jeho první výzkum se soustředil na zlepšení efektivity elektrických motorů. Již ve dvaceti letech sestrojil elektrický motor, který využíval otáčivého pohybu vodiče s proudem v magnetickém poli. Jeho výzkum se týkal však i produkce tepla. Jeden z jeho prvních zájmů bylo elektrické pole. Snažil se vylepšit elektrický motor tím, že budou baterie a elektromagnet mnohem výkonnější. Jeho pokusy navrhnout motor, aby vyráběl elektřinu nekonečné síly selhaly a on postupně zjišťoval, že jeho cíl je nedosažitelný. Začal se zabývat měřením práce a tepla vyrobeného elektřinou. Stále věřil, že elektrický motor nahradí jednou parní stroj. Směr svého zájmu změnil na přeměnu elektrické energie v teplo. To mu přineslo cenný poznatek: Množství tepla vyvinutého za sekundu ve vodiči, kterým protéká elektrický proud, je přímo úměrné čtverci proudu a elektrického odporu vodiče. Tento zákon, který je dnes uveřejňován jako Jouleův zákon byl zveřejněn v prosinci roku 1840.

Vrchol tepelných výzkumů Nejvíce výzkumů provedl mezi roky 1837 až 1847. V této době spolupracoval s Hermannem von Helmholzem, Juliem von Mayerem, Williamem Thomsonem . Pro množství práce potřebné pro vytvoření jednotky tepla nazývaný měrný tepelný ekvivalent. S použitím různých materiálů, také zjistil, že teplo je forma energie nezávisející na látce, která je zahřívána. Zjistil, že jakmile byla elektřina vytvořena elektrickou, nebo mechanickou energií, výsledné teplo bylo úplně stejné. Dokázal, že jakákoliv forma energie, ať už elektrická, chemická nebo mechanická vyrábí stejné množství tepla. S těmito pokusy udělal krok dále k určení přesného mechanického ekvivalentu tepla. Zjistil také, že teplo není tekutina, čemu se v jeho době běžně věřilo, ale forma energie. Poukázal na to, že energie je uchována během práce a z toho vznikl jeho zákon o zachování energie. Vysvětlil, že energie nikam nemizí, pouze přechází do jiných podob. Jedná se o jeden ze základních fyzikálních zákonů, který se dnes nazývá ”zákon o zachování energie”. Ten dal vznik nové vědní disciplíně zvané termodynamika. Právě jeho experimenty dokázaly, že teplo je produkováno pohybem, popírající kalorickou teorii. V roce 1846 objevil jev magnetostrikce, železná tyč trochu změní svoji délku, když je zmagnetizována. Tento jev se nyní používá ve spojení s ultrasonickými zvukovými vlnami. Nebyl jen obyčejný badatel, protože byl také vynálezce. Mezi jeho vynálezy patří například elektrické svařování nebo výtlaková pumpa. Dříve byl kritizován za to, že kreslil náčrty založené na svých výzkumech, které nebyly kompletně ověřeny. Protože mu byla známa nepřesnost svých vlastních výzkumů byl velice opatrný při vytváření závěrů o nich. Konec života Byl zvolen do Královské společnosti v roce 1850, zastával funkci prezidenta Britské asociace pro pokrok ve vědě v letech 1872 a 1887. Nikdy se nestal profesorem a celý svůj život zůstal pivovarníkem. Své výzkumy financoval z vlastních finančních zdrojů, což mělo své výhody i nevýhody. Jednou z výhod bylo, že si sám udával pracovní dobu a předmět studia. Nevýhodou byla nedostatečná finanční podpora, která byla neustále potřeba. Bohužel v roce 1875 mu peníze došly a od tohoto roku začaly kumulovat jeho zdravotní problémy. 11. října 1889 podlehl blíže neurčené formě degenerace mozku.

Reference Wikipedia Techmania – Edutorium Učebnice a skripta VŠCHT