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

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

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 1,82.10-3 1,2.10-3 1,86 helium 5,24.10-4 7,2.10-5 5,3.10-1 krypton 1,14.10-4 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 4,6.10-13 10-15

Složení atmosféry v závislosti na výšce

Fázový diagram směsi O2 a N2

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

Kyslík- vlastnosti 2. hlavní složka atmosféry (≈ 21 % obj.) 16O (99,76 %), 17O (4.10-4 %), 18O (2.10-3 %) 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

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

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

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

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

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%)

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

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

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. 2.10-3 % O2) - jaderné reaktory (vznik nebezpečné směsi O3 a NOx ozářením) nepříznivé účinky na zdraví člověka: - při vyšších koncentracích působí dusivě, potřísnění může způsobit omrzliny

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

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

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

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)

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

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)

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

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

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

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 - 0,0156 % - molekuly HD, (D2) tritium - radioaktivní, - emise částic β- (t1/2 =12,35 let)

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

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

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-)

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)

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

Fázové diagramy helia