Огненный воздух - Фёдоров Александр Митрофанович - Страница 6

Что же получится, если налить жидкий воздух в сосуд и закупорить его плотно завинчивающейся пробкой? Жидкость будет испаряться, и давление в сосуде возрастет. Одновременно в сосуде будет накапливаться запас теплоты, и температура жидкого воздуха начнет повышаться. Наконец, она достигает — 140 градусов ниже нуля. При такой температуре воздух уже не может находиться в жидком виде. Это — критическая температура воздуха, при которой вся жидкость превратится в газ. А когда температура сосуда сравняется с температурой наружного воздуха, давление в нем возрастет до 800 атмосфер! И это понятно. Плотность жидкого воздуха примерно в 800 раз больше плотности газообразного воздуха при обычной температуре. Таким образом, наш сосуд, если он до этого времени еще не разорвался на куски, превратится в опасный снаряд, в котором не осталось ни одной капли жидкого воздуха.

Несколько десятилетий назад были попытки применять жидкий воздух для зарядки металлических патронов. Патроны взрывались в тот момент, когда давление в них достигало определенной величины. Применялись они при горных разработках. Однако вследствие неудобств в обращении с такими патронами и сравнительно небольшой разрушительной силы они не получили распространения.

Огромные давления, возникающие при испарении жидкого воздуха в закрытом сосуде, привели изобретателей к мысли о создании специальных двигателей, работающих на жидком воздухе. Такие двигатели в свое время были построены. В 1900 году, например, на Парижской выставке демонстрировался экипаж, приводимый в движение жидким воздухом. Однако подобные экипажи не получили практического распространения. Причины этого установить нетрудно. Для того чтобы даже в течение короткого промежутка времени получить мощность в 1 лошадиную силу, надо испарить по крайней мере 5 килограммов воздуха. Ясно, что использование жидкого воздуха в качестве двигательной силы крайне невыгодно. Затраты энергии на его получение ни в какой мере не окупятся.

Интересен и другой проект, связанный с использованием жидкого воздуха. При низких температурах электрическое сопротивление чистых металлов сильно уменьшается. Это легко подтвердить на простом опыте.

Составим электрическую цепь (рис. 7) из аккумулятора, лампочки накаливания и катушки медной проволоки с таким сопротивлением, чтобы при замыкании цепи лампочка едва накалялась.

^{Рис. 7. Электрическое сопротивление проводника, охлажденного до температуры жидкого воздуха, резко понижается. Включенная в цепь лампочка вспыхивает ярким светом.}

Если погрузить теперь катушку в жидкий воздух, сопротивление медной проволоки резко уменьшится, и лампочка вспыхнет ярким светом.

Это интересное явление в свое время тоже пытались использовать. Существовал проект, по которому медные электрические провода должны были заключаться в кожух, наполненный жидким воздухом. По мысли авторов этого проекта, экономия электроэнергии от уменьшения сопротивления проводов могла быть использована для получения жидкого воздуха и постоянного пополнения его потерь от испарения. Кроме того, уменьшение электрического сопротивления проводов позволило бы значительно сократить их сечение, что, в свою очередь, привело бы к экономии больших количеств меди.

Однако этот проект также относится к числу нереальных. Использование жидкого воздуха для охлаждения электрических проводов не только трудно осуществимо технически, но и весьма неэкономично. Для получения жидкого воздуха потребуется затратить значительно большее количество энергии по сравнению с тем, которое удастся сэкономить за счет уменьшения сопротивления проводов.

Можно назвать немало отраслей народного хозяйства, где жидкий воздух стал необходим. Широко используется он и в различных исследовательских лабораториях. Однако все это не главные потребители жидкого воздуха. Целая отрасль промышленности, занятая ожижением атмосферного воздуха, ставит перед собою другую задачу — получение кислорода. Для этого главным образом и работают многочисленные установки глубокого холода во всех странах мира.

Читатель помнит, что азот и кислород, входящие в состав атмосферного воздуха, имеют различную температуру кипения. Жидкий азот начинает кипеть и испаряться уже при температуре около 196 градусов ниже нуля, в то время как температура кипения кислорода на 13 градусов больше, и он начинает испаряться из жидкой воздушной смеси позже, чем азот. Поэтому пары кипящего жидкого воздуха всегда содержат больше азота, чем сама испаряющаяся жидкость. Благодаря преимущественному испарению азота состав жидкого воздуха непрерывно меняется. Содержание кислорода в нем увеличивается. Жидкость обогащается кислородом.

Однако при простом испарении получить чистый кислород и целиком избавиться от азота, не удается: азот остается даже в последней капле испаряющегося жидкого воздуха. А для многих процессов в науке и промышленности необходимо иметь чистый кислород. Поэтому перед учеными была поставлена задача наиболее полного разделения воздуха на кислород и азот. И эта задача была успешно решена.

Ученые проделали такой опыт. В сосуд, наполненный жидким воздухом (рис. 8), они погрузили стеклянную трубку и начали пропускать через нее газообразный кислород.

^{Рис. 8. Газ, выделяющийся при пропускании кислорода через жидкую воздушную смесь, тушит спичку. Это — азот.}

Пузырьки газа поднимались вверх и собирались в пробирку. Каково же было удивление исследователей, когда горящая спичка, внесенная в пробирку с собранным газом, мгновенно погасла! В пробирке оказался азот, не поддерживающий горения. Как же это произошло? Почему пузырьки кислорода неожиданно превратились в азот?

Виной всему оказалась разница в температурах ожижения азота и кислорода. Газообразный кислород, попадая в жидкость с температурой более низкой, чем температура его испарения, сам превращается в жидкость. При этом за счет поступившего с ним тепла из жидкой воздушной смеси испаряется некоторое количество азота, покидающего жидкость в виде пузырьков газа. Это интересное явление и привело ученых к созданию так называемого ректификационного аппарата — специального устройства для разделения жидкого воздуха.

Ректификационный аппарат представляет собою высокую металлическую колонну, снабженную большим количеством специальных тарелок с сетками или колпачками. Схема действия такой колонны с сетчатыми тарелками представлена на рисунке 9.

^{Рис. 9. Схема действия ректификационного аппарата — специального устройства для разделения жидкого воздуха.}

Каждая тарелка снабжена сливным стаканом, по которому жидкость переливается с верхней тарелки на нижнюю. Пары испаряющегося жидкого воздуха, содержащие азот и кислород, поднимаются вверх. При этом они свободно проходят через мельчайшие отверстия сеток, препятствуя жидкому воздуху стекать через эти отверстия. Кислород, содержащийся в парах, постепенно конденсируется. Вследствие этого на тарелках накапливается жидкость, излишек которой стекает вниз через сливные стаканы.

Чем длиннее путь пузырьков пара сквозь жидкость и чем больше тарелок вмещает ректификационная колонна, тем чище получится азот, выходящий из ее верхней части, тем меньше примесей будет содержать кислород, остающийся в жидком виде в нижней части колонны. Поэтому современные колонны для разделения воздуха представляют собою высокие сооружения — в 5–6 и более метров; они снабжаются десятками тарелок.

Специальные устройства в ректификационном аппарате позволяют не только разделять жидкий воздух на азот и кислород, но и отделять от воздушной смеси еще одну важную составляющую часть — аргон. Этот газ широко используется для наполнения электрических ламп, а также в других отраслях промышленности.