Беседы о физике и технике - [10]

Даже если мы хотим получить температуру, достаточную для сжижения воздуха (Т_кр = 132 К), то и тогда необходимо создать компрессором давление в сотни атмосфер, что для гелия не так просто. Для того чтобы уменьшить рабочее давление, в систему между компрессором и детандером вводят теплообменник 2 (схема машины приведена на рис. 15). Газ, поступая в детандер, охлаждается обратным потоком гелия, уже успевшего расшириться и охладиться. Поэтому процесс расширения начинается при более низкой температуре, а значит, и исходное давление может быть значительно меньшим.

Необходимо заметить, что в лабораториях и на заводах имеются машины, вырабатывающие сотни литров жидкости в час, но есть и очень маленькие, которые размещаются и работают на борту искусственных спутников и космических кораблей.

Стоимость литра сжиженного гелия исчисляется десятками копеек, что делает его доступным для любых физических лабораторий и промышленных предприятий.

Тот же эффект охлаждения за счет совершаемой газом внешней работы при адиабатном расширении был использован П. Л. Капицей в машине нового типа, предложенной им в 1935 г. для сжижения воздуха с целью промышленного получения кислорода. В этой машине газ совершал внешнюю работу, приводя во вращение высокоэффективную турбину (турбодетандер). В ней воздух предварительно сжимался в турбокомпрессоре всего до 0,4–0,5 МПа (4–5 атм), в то время как в поршневых машинах давление создавалось от 7 до 19 МПа.

Таким образом, в технике получения низких температур стал использоваться только цикл низкого давления, а это позволило стране сэкономить сотни миллионов рублей. Разработанный П. Л. Капицей турбодетандер с КПД 80–85 % предопределил развитие во всем мире современных крупных промышленных установок разделения воздуха для получения жидкого кислорода.

ИТАК, ЖИДКИЙ ГАЗ ПОЛУЧЕН И ВОЗНИКАЮТ ПРОБЛЕМЫ ЕГО ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ?

Задача хранения и транспортировки жидкого гелия также не является простой — ведь разность температур между комнатной и жидкостью составляет почти 300 К!

Оказалось, что ни сосуд Дьюара, ни какой-либо другой с пористой изоляцией непригодны, так как они не в состоянии создать необходимой преграды для теплообмена между гелием и окружающей средой.

Наиболее употребительными оказались металлические сосуды — криостаты. Как они устроены, видно из рис. 16.

Рис. 16.Схема устройства сосуда для хранения и транспортировки жидкого гелия:

_{1 — трубка для выхода испаряющегося гелия; 2 — отверстие для переливания жидкого гелия, закрытое пробкой; 3 — трубка для заливки жидкого азота; 4 — тонкостенные трубки из нержавеющей стали; 5 — штуцер вакуумной откачки; 6 — медные полированные сферы, каждая из которых спаяна из двух полусфер; 7 — адсорбент; 8 — трубки, соединяющие между собой вакуумные полости и одновременно служащие распорками}

Криостат очень похож на сосуд Дьюара, но между ними есть и различия. Полость между сосудом с гелием и внешней стенкой заполнена жидким азотом. Жидкий азот нужен для того, чтобы уменьшить испарение гелия, — именно азот, так как он не взрывоопасен и получение его из воздуха чрезвычайно дешево.

Емкости для гелия и азота выполнены из полированной меди, высокая теплопроводность которой компенсируется подвеской системы на тонкостенных трубках из нержавеющей стали — материала, плохо проводящего теплоту.

Чтобы вакуум в «рубашке» сохранялся длительное время, в вакуумных промежутках помещен адсорбент — поглотитель газов (обычно активированный уголь). Из такого криостата может испариться не более 100 см³ гелия в сутки.

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ЖИДКИЕ ГАЗЫ?

Получение жидкого гелия, кислорода и других веществ — важная задача холодильной промышленности, ведь эти вещества требуются современной науке и производству в огромных количествах.

Так, например, современные соленоиды из меди, создающие постоянные магнитные поля с индукцией 10–20 Тл, требуют для питания источники тока мощностью ~ 1 МВт — такой электростанции достаточно для освещения города с населением в несколько десятков тысяч жителей. Эти соленоиды имеют небольшой объем (всего десятки кубических метров), и если их не охлаждать, они могут расплавиться.

В последние годы получили широкое распространение сверхпроводящие сплавы для создания сверхпроводящих магнитов, позволяющих с очень малой затратой энергии получать сильные магнитные поля напряженностью до 8∙10⁷ А/м (100 кЭ).

В большом количестве жидкого кислорода нуждаются наша металлургия, космонавтика и другие области техники, а также различные научные лаборатории.

Следует особо отметить, что основой прогресса в экспериментальном исследовании металлов явилась возможность получения очень чистых металлов, длина свободного пробега электрона в которых достигает нескольких миллиметров. Таких чистых материалов все больше требуется для нашей промышленности. А их получение связано с физикой низких температур.

Интенсивное развитие науки и техники низких температур существенно поможет решению современных проблем научно-технического прогресса.

4. Осмос наоборот и мембранная технология

Осмос, осмотическое давление — эти слова, а также смысл, заложенный в них, известны многим. Однако что такое обратный осмос? И что же такое