Номер 10, страница 99 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 3. Температура. Газовые законы. Параграф 3.12. Примеры решения задач. Вопросы - номер 10, страница 99.

Условие.

10. Сделайте презентацию «Применение газов в технике».

Решение.

Введение: Роль газов в современной технике

Газы играют ключевую роль во многих отраслях промышленности и техники. Их уникальные физические и химические свойства, такие как сжимаемость, способность к расширению, химическая активность или инертность, делают их незаменимыми компонентами в самых разнообразных технологических процессах. От металлургии и машиностроения до пищевой промышленности и медицины – применение газов является неотъемлемой частью современного производства. В этой презентации мы рассмотрим основные виды технических газов и их важнейшие применения.

1. Кислород ($O_2$)

Кислород – один из наиболее широко используемых технических газов, благодаря его способности интенсифицировать процессы горения и окисления. Основные сферы его применения:
• Металлургия: Вдувание кислорода в конвертеры при производстве стали позволяет ускорить процесс плавки и удалить вредные примеси (углерод, кремний), повышая качество конечного продукта.
• Газопламенная обработка металлов: В смеси с горючими газами (ацетилен, пропан) кислород образует высокотемпературное пламя, используемое для сварки, резки и пайки металлов.
• Химическая промышленность: Выступает в роли окислителя при производстве кислот (азотной, серной), оксида этилена, винилацетата и других важных химических соединений.
• Медицина и экология: Применяется в медицинских целях для поддержания дыхания (оксигенотерапия), а также для очистки сточных вод и обогащения воды кислородом в рыбоводстве.
• Ракетная техника: Жидкий кислород является мощным окислителем для ракетного топлива.
Ответ: Основное применение кислорода в технике основано на его окислительных свойствах и способности поддерживать горение, что используется в металлургии для производства стали, при газовой сварке и резке металлов, в химическом синтезе, медицине и ракетной технике.

2. Азот ($N_2$)

Азот, составляющий большую часть атмосферы, ценится в технике в первую очередь за свою химическую инертность.
Применение:
• Создание инертной среды: Азот вытесняет кислород, предотвращая процессы окисления, горения и взрыва. Это используется в химической и нефтехимической промышленности, при хранении легкоокисляющихся материалов, в электронике (при пайке компонентов), а также в лазерной резке металлов.
• Пищевая промышленность: Применяется для упаковки продуктов в модифицированной газовой среде, что значительно продлевает срок их хранения. Также используется для быстрого охлаждения и заморозки.
• Криогенная техника: Жидкий азот ($T_{кип} = -196$ °C) является доступным и эффективным хладагентом. Его используют для криоконсервации биологических образцов, в криохирургии для удаления новообразований, а также для охлаждения различного оборудования.
• Пожаротушение: Азотные системы пожаротушения применяются для защиты ценного оборудования (серверные, архивы), так как азот эффективно тушит пламя, не повреждая объекты.
• Химический синтез: Азот является исходным сырьем в процессе Габера-Боша для производства аммиака, из которого затем получают удобрения и азотную кислоту.
Ответ: Азот используется в технике главным образом как инертный газ для создания защитной атмосферы в химической промышленности, электронике и пищевой упаковке, а в жидком виде – как мощный хладагент в криогенике и медицине. Также он является сырьем для производства аммиака.

3. Аргон (Ar) и другие инертные газы

Благородные газы (аргон, гелий, неон, криптон, ксенон) отличаются полной химической инертностью, что делает их незаменимыми в специфических технологических процессах.
• Аргон (Ar): Как самый доступный инертный газ, аргон широко применяется в качестве защитной среды при дуговой сварке (TIG, MIG) химически активных металлов и сплавов (алюминий, титан, нержавеющая сталь). Им также заполняют лампы накаливания и стеклопакеты для улучшения тепло- и звукоизоляции.
• Гелий (He): Благодаря своей легкости и негорючести, гелий используется для наполнения аэростатов и метеорологических зондов. Его уникально низкая температура кипения ($4.2$ К) делает его незаменимым хладагентом для сверхпроводящих магнитов (в МРТ-сканерах, ускорителях частиц). Также он входит в состав дыхательных смесей для водолазов.
• Неон (Ne), Криптон (Kr), Ксенон (Xe): Эти газы используются в осветительной технике. Неон – для создания ярких красно-оранжевых газоразрядных вывесок. Криптон и ксенон применяются в мощных лампах (например, в фарах автомобилей, проекторах), так как они позволяют получить очень яркий свет, близкий к солнечному.
Ответ: Инертные газы применяются там, где требуется абсолютно нереакционноспособная среда: аргон – в сварке и металлургии, гелий – в криогенике и аэронавтике, а неон, криптон и ксенон – в производстве специализированных источников света.

4. Водород ($H_2$)

Водород – самый легкий газ с высокой теплопроводностью и химической активностью (как восстановитель).
• Химическая промышленность: Водород является ключевым сырьем для синтеза аммиака и метанола, а также используется в процессах гидрогенизации для производства маргарина из растительных масел и в нефтепереработке для гидроочистки топлив от серы.
• Металлургия: Используется в качестве восстановителя для получения тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) из их оксидов в чистом виде.
• Энергетика: Водород – эффективный охладитель для турбогенераторов на электростанциях из-за своей высокой теплопроводности. Также он рассматривается как экологически чистое топливо будущего в водородной энергетике и топливных элементах.
• Электроника: Применяется для создания восстановительной атмосферы при производстве полупроводниковых материалов.
Ответ: В технике водород используется в основном как химический реагент-восстановитель в химической промышленности и металлургии, как эффективный теплоноситель в энергетике и как перспективное экологически чистое топливо.

5. Углекислый газ ($CO_2$)

Диоксид углерода (углекислый газ) находит применение в различных областях благодаря своей доступности и специфическим свойствам.
• Пищевая промышленность: Является основой для газирования напитков. В твердом виде ("сухой лед") используется как хладагент для заморозки и транспортировки продуктов. Также применяется в качестве консерванта и упаковочного газа (E290).
• Сварочное производство: Используется как активный защитный газ (самостоятельно или в смеси с аргоном) при полуавтоматической сварке сталей (MAG-сварка), что является экономически выгодным решением.
• Пожаротушение: Углекислотные огнетушители применяются для тушения пожаров класса B (горючие жидкости) и E (электрооборудование), так как $CO_2$ не проводит ток, не оставляет следов и быстро вытесняет кислород из зоны горения.
• Химическая промышленность: Служит сырьем для производства мочевины (карбамида) и соды.
Ответ: Углекислый газ применяется в пищевой промышленности (газирование, охлаждение), при сварке металлов в качестве защитной среды, для пожаротушения и как сырье в химическом производстве.

6. Горючие газы (Ацетилен, Пропан, Метан)

Эта группа газов является основным источником тепловой энергии для промышленных и бытовых нужд.
• Ацетилен ($C_2H_2$): При сгорании в кислороде ацетилен дает пламя с чрезвычайно высокой температурой (около 3150 °C), что делает его идеальным газом для автогенной сварки и резки толстых листов металла.
• Пропан ($C_3H_8$) и Бутан ($C_4H_{10}$): Смеси этих газов (LPG - сжиженный нефтяной газ) широко используются как топливо для автомобилей, для бытовых нужд (отопление, приготовление пищи), в строительстве (кровельные работы) и для газовой резки.
• Природный газ (в основном Метан, $CH_4$): Является основным видом топлива для тепловых электростанций, промышленных печей и бытового газоснабжения. Также это важнейшее сырье для крупнотоннажной химии (производство водорода, аммиака, метанола).
Ответ: Горючие газы (ацетилен, пропан-бутан, метан) используются в технике в первую очередь как высокоэффективное топливо для получения тепловой энергии в процессах сварки, резки, отопления, выработки электроэнергии, а также в качестве химического сырья.