Science.tatsel.tu - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
События и
мероприятия
Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийСобытия и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Эксперимент по ожижению кислорода Рауля Пьера Пикте

Рауль Пьер Пикте (1846-1929 гг.) – швейцарский физик, родился в Женеве, там же кончил университет. В 1868-1870 гг. продолжил учение в Париже. С 1879 г. - профессор Женевского университета. В отличие от Кайете-инженера, он был по образованию физиком. В то время, когда Пикте начал работу по ожижению газов (ему было всего 30 лет), у него не было существенного опыта ни в исследовательской, ни в инженерной деятельности. Тем не менее установка, созданная им для ожижения газов, была не только намного сложнее, чем у Кайете, но и содержала новые технические решения.

Схема ее показана на рис. 2.12. Верхняя ее часть представляет собой не что иное, как металлическую трубку Фарадея, рассчитанную на давление в несколько десятков мегапаскалей. В стальном сосуде L содержатся вещества, необходимые для получения ожижаемого газа посредством их нагрева. С ним соединена длинная стальная труба М длиной 4 м и внутренним диаметром 4 мм. Эта труба играет роль холодного колена трубки Фарадея, но в отличие от нее снабжена на конце вентилем R, позволяющим выпускать ожиженный газ наружу. Однако охлаждение холодной части сделано совсем иначе, чем у Фарадея. Здесь Пикте не только использовал опыт, накопившийся к этому времена у теоретиков и конструкторов холодильных машин4, но и продвинулся дальше. Он создал и использовал двухступенчатую каскадную холодильную машину, включающую два последовательно включенных замкнутых контура.

Оба они устроены совершенно одинаково; основой каждого служил двухцилиндровый поршневой компрессор. Оба компрессора приводились в действие паровой машиной (на схеме показаны лишь маховики, к которым шла от двигателя ременная передача). В контуре, расположенном внизу, циркулировал диоксид серы SO2 (сернистый газ). В двух ступенях А и В компрессора газ последовательно сжимался от 0,02 до приблизительно 0,6 МПа и поступал в конденсатор D, где охлаждался водой, протекающей в трубках, и переходил в жидкое состояние. Жидкий диоксид серы SО2 по трубке а через вентиль, где его давление снижалось до первоначального, поступал в кольцевую трубку С, где испарялся, охлаждая и конденсируя диоксид углерода СО2, протекающий по внутренней трубке К. Полученный пар снова всасывался в цилиндр А компрессора. Таким образом, в трубке С обеспечивалась температура около -45°С.

Установка Пикте для ожижения газов
Рис. 2.12. Установка Пикте для ожижения газов.

Аналогичный процесс протекал и в другом контуре, где работал компрессор с цилиндрами Е и F. Здесь сжимался уже другой хладагент – углекислый газ СО2, испарившийся при отводе тепла от металлической трубки Фарадея М в кольцевом пространстве, образованном трубкой Н, при температуре около -130°С. Сжатый углекислый газ подавался в трубку К и после конденсации в ней за счет испарения SО2 возвращался в трубку Н через трубку е и дроссель N, охлаждая и, как считал Пикте, переводя в жидкость исследуемый "постоянный" газ. Получившийся пар СО2 отводился через трубку a в цилиндр Е компрессора. В последующих опытах Пикте заменил углекислый газ диоксидом азота N2О, что позволило ему снизить температуру кипения в трубке Н до -140°С.

Добывая кислород нагреванием бертолетовой соли в сосуде под давлением до 20 МПа, Пикте получал, как он думал, в трубке М жидкий кислород, который можно было наблюдать в виде струи из капель и пара, выпуская его наружу через вентиль R. Пикте писал, что это была прозрачная струя, в центре которой находилась белая центральная зона, которую он считал твердым кислородом. В дальнейшем Пикте проделал аналогичные опыты и с водородом, полученным в результате взаимодействия при нагревании муравьинокислого калия НСООК и едкого кали КОН. И здесь Пикте, как он писал, тоже наблюдал "струю с сине-стальной окраской, падавшую на пол с треском, напоминавшим падение металлической дроби". В дальнейшем Пикте получил аналогичные результаты, работая с азотом и оксидом углерода.

Уже современники, отдавая должное достижениям Пикте и не подвергая сомнению получение им струи жидкого кислорода в распыленном виде, не согласились с его трактовкой полученных результатов. Так, один из французских специалистов по низким температурам Ж. Лефевр писал: "К несчастью через несколько лет удостоверились в том, что выводы Пикте грешат большими ошибками. Позднейшие опыты показа что кислород ожижается при -130°С под давлением около 25 атм. Что касается водорода, то имея критическую температуру значительно ниже -200°С, он не мог ни ожижаться, ни отвердеть в трубке аппарата при -140°С, как это показалось Пикте, и если в данном случае имело место (только) ожижение, то оно могло произойти только вне аппарата, под влиянием расширения газа".

Сейчас мы можем уже точно проанализировать как способ ожижения, разработанный и использованный Р. Пикте, так полученные им результаты.

Прежде всего нужно отметить ошибку Пикте в оценке полученных им температур при использовании СО2 в качестве хладагента5. Диоксид углерода СО2 не мог "кипеть" в трубке Н, охлаждая кислород до -130°С. Тройная точка СО2 находится при t=-56,6°С; при более низкой температуре углекислый газ может существовать только в твердом виде – как "сухой лед". Поэтому жидкий диоксид углерода, выходящий из трубки К после дросселирования, попадал в трубку Н в виде снега (вспомним опыт Тилорье). Этот "снег" и сублимировался там, охлаждая кислород (или другой газ) в трубке М. Температура при этом не могла опуститься до -130°С, так как для этого нужно было бы откачивать пар до тех пор, чтобы установилось давление р=3·10-4 МПа. Подобное (или даже близкое) разрежение в компрессоре Е достигнуть было невозможно.

Температура могла опуститься примерно до -100°С (ей соответствует давление 13·10-3 МПа, что тоже трудно, но было достижимо для техники того времени). Замена СО2 диоксидом азота N2О тоже не позволяла использовать для охлаждения кипения жидкости, так как N2О также затвердеет при температуре намного более высокой, чем -130°С (температура тройной точки -90,7°С). Правда, снег N2О испаряется под более высоким давлением, чем СО2, однако и при его использовании трудно откачать пар, чтобы получить -130°С. Реальная цифра, полученная Пикте, едва ли могла быть ниже -120°С (может быть при самых благоприятных обстоятельствах -125°С), т.е. на уровне немного ниже достигнутого еще Фарадеем.

Эта температура близка к критической для кислорода (154,6K или -118,4°С). Таким образом, вопрос о том, был ли получен жидкий кислород в трубке М, остается открытым. Во всяком случае, дело было близко к этому. Но очевидно и другое. Расчет однозначно показывает, что при дросселировании кислорода через вентиль R от любого давления выше 10 МПа до атмосферного кислород обязательно охладится до -183°С и частично ожижится. Следовательно, нет никакого сомнения в том, что Пикте был прав, утверждая, что из его установки вылетала струя жидкого кислорода! То же относится и к азоту, и к оксиду углерода.

Что касается водорода, то Пикте, как и Кайете, был очень далек от его ожижения. Даже при дросселировании с самого высокого давления при таких температурах получение жидкого водорода абсолютно исключено. Все разговоры о "струе с металлическим блеском и сине-стальной окраской" связаны, по-видимому, как с примесями в водороде (в частности, воды), которые могли действительно сконденсироваться, так и с сильным желанием получить нужный результат. Было бы несправедливо осуждать Пикте за эти ошибки. Его огромные заслуги справедливо остаются общепризнанными.

Впоследствии Пикте организовал в Берлине "Лабораторию низких температур", в которой ожижение газов производилось в больших размерах. В этой лаборатории Пикте пользовался тем же способом, который был описан выше, но для предварительного охлаждения он употреблял другие газы. Жидкий диоксид серы SO2 был заменен "жидкостью Пикте", которая состояла из смеси б4 весовых частей SO2 и 44 частей СО2. Эта смесь ожижается гораздо легче, чем СО2.

Так, Пикте к своему основному достижению - ожижению кислорода, азота и СО оригинальным каскадным методом добавил новое – ввел рабочее тело холодильных установок, состоящее из смеси двух разных веществ. Далее увидим, что идея такого "коктейля" была развита и позволила через много лет создать новые рабочие тела для холодильных и криогенных установок с заранее заданными нужными свойствами.

Л. Кайете после 1877 г. тоже продолжал работать в области низких температур. Он потратил много усилий, чтобы усовершенствовать свою аппаратуру, получить жидкий кислород в форме, позволяющей сохранить его и исследовать, а также ожижить водород.

Но "звездный" час декабря 1877 г. уже не повторился. Ни тому ни другому так и не удалось достигнуть заветной цели подержать в руках и продемонстрировать целому миру сосуд с жидким кислородом или азотом. Это не было случайностью. Оба метода - и Кайете, и Пикте - в принципе не могли дать этот результат. Нужен был иной подход.

Член академии Жамэн в докладе Академии наук 24 декабря 1877 г. сказал: "Теперь доказана возможность превращения кислорода в жидкость или твердое тело. За это говорят эти два опыта, причем опыт Пикте несколько дополняет опыт Кайете... Однако иметь возможность видеть жидкость или туман, не умея то или другое собрать - это еще не все. Еще предстоит проделать в этом отношении заключительную работу, которая будет состоять в том, чтобы сохранить кислород в жидком состоянии при температуре его кипения..."

Это сделали и получили, наконец, ожиженные "постоянные газы" через 6 лет другие исследователи - Ольшевский и Вроблевский. Перед тем как продолжить рассказ об ожижении газов, необходимо вернуться к началу ХIХ в., чтобы установить, как возникла холодильная техника, и проследить, как она развивалась.



Следующая страница: Итоги и перспективы


    • Главная   • Библиотека   • История холода   • Эксперимент по ожижению кислорода Р.П. Пикте  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий События и мероприятия
Библиотека Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Science.Tatsel.ru 2006-2017.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
контакты
карта сайта