Fyzika nízkých teplot 01 Zkapalňování plynů

Kritická teplota Pro zkapalnění plynu je třeba jej ochladit pod tzv. kritickou teplotu Některé látky Kritická teplota °C K Kritický tlak 105 Pa Kritický měrný objem 10-3 m3 kg-1 hélium -267,6 5,25 2,3 15,0 vodík -239,9 33,25 12,9 32,3 dusík -147,1 126,05 34,3 3,22 CO2 31 304,15 73,6 2,16 éter 194 467.15 37,3 3,9 H2O 374,2 647.35 221,5 4,04

Příklad: p-V diagram CO2 v diagramu jsou znázorněny izotermy kritické teplota odpovídající kritická izoterma nemá vodorovnou část, která by odpovídala směsi kapalné a plynné fáze pod kritickou teplotou dochází při izotermickém stlačování nejdříve k růstu tlaku pak zůstává tlak konstantní – vytváří se kapalina po přeměně veškerého plynu na kapalinu (ta je málo stlačitelná) dochází k prudkému vzrůstu tlaku. nad kritickou teplotou není možné dosáhnout zkapalnění ani při nejvyšším tlaku. při teplotách hodně nad kritickou teplotou odpovídají izotermy izotermám ideálního plynu (platí Boylův zákon p.V = konst.)

Přeměna CO2 s kondenzací a bez kondenzace

Metody zkapalňování plynů využití latentního tepla Jouleův-Thomsonův jev adiabatická expanze

Využití latentního tepla provádí se odsávání par na kapalinou (snížení tlaku nad hladinou kapaliny). dochází k nucenému vypařování kapaliny (z povrchu se uvolňují molekuly s nejvyšší kinetickou energií). kapalině je odnímáno latentní teplo – skupenské teplo vypařování – to v izolovaném systému vede ke snižování teploty kapaliny.

Jouleův-Thomsonův jev používá se pro ochlazení reálných plynů na podkritickou teplotu jde o prudkou expanzi stlačeného plynu, při níž plyn nekoná práci vůči vnějším silám jedná se o adiabatický proces, tedy dU = -pdV již předchlazený plyn o tlaku p1 se přes propustnou membránu nebo škrtící ventil protlačuje do prostoru o nižším tlaku p2, čímž ještě více ochladí

Příklad – chlazení vzduchu pomocí JT expanze Vzduch stlačený na 20 MP chlazený vodou expanduje přes škrtící ventil na nižší tlak asi 2 MPa

Trochu opakování - k odvození vztahů termodynamické funkce Maxwelovy vztahy - 1. série úplné diferenciály funkcí Maxwelovy vztahy - 2. série

Opakování termodynamické funkce Entropie S (vnitřní) energie U = TS - pV volná energie (Helmholtzova fce) F = U - TS (T = konst) entalpie H = U + pV (p = konst) volná entalpie (Gibbsova fce) G = H - TS

Maxwellovy vztahy I q = T

Úplné diferenciály termodynamických funkcí dU = T.dS − p.dV dF = − p.dV − S.dT dH = T.dS + V.dp dG = − S.dT + V.dp

Maxwellovy vztahy II

JT jev – koeficient chlazení

Cyklické expanze – Lindeho stroj V případě JT jevu první expanze nestačí k jeho ochlazení pod kritickou teplotu Nedochází tedy ke zkapalnění Je třeba zajistit cyklické opakování expanze To umožňuje Lindeho stroj uvedený na dalším obrázku

Schéma Lindeho stroje Ochlazený expandovaný plyn se vede zpátky přes výměník a ochlazuje přicházející stlačený plyn Opakováním tohoto postupu se nakonec plyn ochladí pod kritickou teplotu a zkapalní

Cyklická JT expanze vodíku a helia V případě vodíku a helia není možné při běžných teplotách předchozím postupem plyn ochladit, protože koeficient chlazení je kladný - dochází jejich ohřevu. Teprve při ochlazení těchto plynů pod tzv. inverzní teplotu lze chladit pomocí JT expanze. U vodíku se používá předchozí ochlazení kapalným vzduchem. V případě helia je zase možné použít ochlazení kapalným vodíkem.

Adiabatická expanze plyn je nejdříve izotermicky stlačen (tj. pomalu – dobrá výměna energie s okolím) následuje druhá fáze – adiabatická expanze (prudká expanze – ideálně bez výměny energie s okolím)

AE – koeficient chlazení

Skladování kryokapalin Krátkodobé hlavně pro LN2 a další kryokapaliny s vyšším bodem varu polystyrénové nádoby – otevřené – rychlý odpar běžné termosky (sklo) - otevřené – nižší odpar Dlouhodobé zejména LN2 a LHe kovové Dewarovy nádoby různého technického provedení (prakticky uzavřené – jen přečerpávací hrdlo a ventil pro odpar). kontejnery využívající tzv. „superizolace“ POZOR - vždy dochází k odparu – proto nádoby nesmí být trvale uzavřeny, jinak hrozí natlakování a destrukce nádoby.

Kovová Dewarova nádoba na LN2 schéma

Transportní nádoba LN2 princip Dewarovy nádoby („termoska“)

Práce s LN2 práce s LN2

Nádoba na LHe a hladinoměr schéma

Zásobníky pro LHe Janis – Stratos 100 Cryogenics 250 l s přepouštěčem Vibrační hladinoměr