1 / 25

Fyzika nízkých teplot

Fyzika nízkých teplot. 01 Zkapalňování plynů. Kritická teplota. Pro zkapalnění plynu je třeba jej ochladit pod tzv. kritickou teplotu. Příklad: p-V diagram CO 2. v diagramu jsou znázorněny izotermy

sanne
Download Presentation

Fyzika nízkých teplot

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Fyzika nízkých teplot 01 Zkapalňování plynů

  2. Kritická teplota • Pro zkapalnění plynu je třeba jej ochladit pod tzv. kritickou teplotu

  3. 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.)

  4. Přeměna CO2s kondenzací a bez kondenzace

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

  6. 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.

  7. 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

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

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

  10. Opakovánítermodynamické 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

  11. Maxwellovy vztahy I q = T

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

  13. Maxwellovy vztahy II

  14. JT jev – koeficient chlazení

  15. 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

  16. 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

  17. 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.

  18. 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)

  19. AE – koeficient chlazení

  20. 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.

  21. Kovová Dewarova nádoba na LN2 • schéma

  22. Transportní nádoba LN2 • princip Dewarovy nádoby („termoska“)

  23. Práce s LN2 • práce s LN2

  24. Nádoba na LHe a hladinoměr • schéma

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

More Related