Диаграмма состояния в P-T координатах.

Рисунок 2.P-T диаграмма с изображением фазовых переходов для однокомпонентного вещества.

При давлениях выше критического (закритических давлениях) переход из газообразного состояния в жидкое происходит без фазового перехода. ( нет раздела фаз, т.е. свойства газообразного состояния и жидкого состояния резко не различаются).

Воздух и его компоненты.

Основные компоненты: азот, кислород, аргон и водяной пар (водяной пар в дальнейшем рассматривать не будем)

Азот.

Инертен почти во всех случаях, нетоксичен, не обладает магнитными свойствами, не имеет запаха.

Азот обладает наиболее низкой температурой кипения по сравнению в кислородом и аргоном, поэтому ,если жидкий воздух находится в криогенном сосуде (Дьюаре), то по мере испарения воздуха в нём будет накапливаться кислород и аргон, поскольку азот будет испаряться наиболее интенсивно ( фракционное испарение).

Процесс выпаривания низкокипящего компонента из жидкой смеси называется дистилляцией.

Теплофизические свойства азота:

Применение:

· Получение этилена, аммиака, удобрения;

· Защитная среда в химической и металлургической промышленности, среда для сварки и резки, среда для хранения сельхоз продукции;

· Криогенное обеспечение физико-технических исследований;

· Криобиология, криомедицина.

Кислород.

Химически активный газ, сильный окислитель, взрывоопасен в смесях с углеводородами, обладает парамагнитными свойствами.

Теплофизические свойства азота:

Применение:

· Производство малоуглеродистой стали, цветных металлов и сплавов;

· Газовая сварка и резка металлов;

· Аэрация и осветление сточных вод;

· Ракетная техника (окислитель);

· Микробиология и медицина;

· Химическая и нефтяная промышленность;

· Производство бумаги.

Аргон

Инертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха.

Теплофизические свойства азота:

Применение:

· Сварка и резка в защитной аргоновой среде;

· Металлообработка в аргоновой среде;

· Выращивание кристаллов и создание покрытий в полупроводниковой промышленности;

· Среда в лампах накаливания;

· В биологии, как среда для проращивания семян;

· В стеклопакетах (для уменьшения тепловых потерь через окна, более низкий коэффициент теплопроводности, чем у воздуха);

Неон

Инертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха.

Теплофизические свойства азота:

Применение:

· Ламповая промышленность;

· Электровакуумные приборы;

· Электронная промышленность;

· Криогенная техника (термостатирование, охлаждение детекторов инфракрасного излучения);

· Медицина (использование изотопов неона для диагностики);

Неон

Инертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха.

Теплофизические свойства азота:

Применение:

· Ламповая промышленность;

· Электровакуумные приборы;

· Электронная промышленность;

· Криогенная техника (термостатирование, охлаждение детекторов инфракрасного излучения);

· Медицина (использование изотопов неона для диагностики);

Гелий

Инертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха, аномально высокая теплоёмкость и низкая плотность, сверхтекучести при температурах ниже 2,17 К, наилучший теплоноситель в связи с высоким коэффициентом теплопроводности как газа, так и жидкости, отсутствует кривая сублимации.

Сверхтекучесть гелия: гелий начинает постепенно терять вязкость, т.е. становится как бы невязкой жидкостью, проходящей без гидравлического сопротивления через каналы и щели.

Получение: из природного газа (не более 0,005%) последовательной очисткой от углекислого газа, углеводородов, от азота, водорода и других низкотемпературных примесей.

Капица предложил двухжидкостную модель жидкого гелия при низких температурах – состоит из сверхтекучей и обычной компоненты, причём с понижением температуры доля сверхтекучей компоненты увеличивается.

Сверхтекучая компонента подчиняется закономерностями квантовой механики, что объясняет её свойства:

· Движение через микрощели (меньше 0,5 мкм);

· Термомеханический эффект (движение сверхтекучей плёнки в направлении теплового потока);

· Аномально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия, возникновение скачка температур на границе сверхтекучего гелия и твердого тела (сопротивление Капицы)

Рисунок 2. Термомеханический эффект: а – уровень жидкости в сосуде с нагревателем Н выше, чем в сообщающемся с ним сосуде; б – фонтанирование гелия при освещении и нагреве порошка П, находящегося в сосуде со сверхтекучим гелием (В – гигроскопическая вата)

Теплофизические свойства азота:

Применение:

· Получение низких и сверхнизких температур;

· Криогенное обеспечение сверхпроводящих систем;

· Имитаторы космического пространства;

· Создание искусственной атмосферы;

· Транспорт, воздухоплавание;

Помимо традиционного гелия-4 существует изотоп гелий-3, количество которого на несколько порядков меньше, чем гелия 4. Обладает теми же свойствами, что и гелий 4, и в перспективе может быть использован как топливо в термоядерной реакции вместо водорода.

Гелий-3 содержится в лунной атмосфере.

Водород.

Получение: из природного газа или попутных нефтяных газов (каталитическая конверсия в водяном паре), электролиз воды (в небольших количествах).

Самый лёгкий газ, горюч в присутствии воздуха или кислорода – пожароопасен при 4-75%, взрывоопасен 18-65%, особая опасность взрыва в жидком состоянии при контакте с твёрдым воздухом или кислородом.

Обычный водород при нормальных условиях имеет две модификации: ортоводород и параводород. Эти две модификации различаются направлением спина.

При нормальных условия доля ортоводорода 75 %, параводорода – 25%, при понижении температуры до 20 К доля параводорода растёт до 99,8 %.