Номер 2, страница 240 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 6. Взаимные превращения жидкостей и газов. Параграф 6.9. Примеры решения задач. Вопросы - номер 2, страница 240.

Условие.

2. На основе хронологического анализа и изучения различных информационных источников подготовьте доклад «Сжижение газов: учёные-исследователи, установки, хранение и применение жидких газов, особые свойства веществ при низких температурах, перспективы исследований».

Решение.

Учёные-исследователи

История сжижения газов — это цепь выдающихся открытий, сделанных многими учёными. Первые успехи были достигнуты в XIX веке. Английский учёный Майкл Фарадей в 1823 году впервые сумел превратить в жидкость некоторые газы, такие как хлор, аммиак и диоксид углерода, используя высокое давление и охлаждающие смеси. Однако так называемые «постоянные» газы (кислород, азот, водород) не поддавались сжижению этим методом. Прорыв произошел благодаря работам ирландского физика Томаса Эндрюса, который в 1863 году ввёл понятие критической температуры — температуры, выше которой газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении. Это объяснило неудачи Фарадея.

В 1877 году француз Луи Поль Кайете и швейцарец Рауль Пикте независимо друг от друга впервые получили жидкий кислород в виде мелких капель и тумана. Стабильно сжижать кислород и азот в значительных количествах смогли польские физики Зыгмунт Врублевский и Кароль Ольшевский в 1883 году. Следующей важной вехой стало сжижение водорода шотландским учёным Джеймсом Дьюаром в 1898 году, для чего ему пришлось изобрести специальный сосуд с вакуумной изоляцией — сосуд Дьюара, известный сегодня как термос. Вершиной этой эпохи стало достижение голландского физика Хейке Камерлинг-Оннеса, который в 1908 году получил жидкий гелий — самый холодный газ с температурой кипения около 4,2 К. Это открытие положило начало физике сверхнизких температур и привело к открытию сверхпроводимости в 1911 году. Советский физик Пётр Капица внёс огромный вклад, создав в 1934 году высокоэффективный турбодетандер для сжижения воздуха, а в 1937 году открыв явление сверхтекучести жидкого гелия.

Ответ: Ключевыми фигурами в истории сжижения газов являются Майкл Фарадей (первые опыты), Томас Эндрюс (критическая температура), Кайете и Пикте (первое сжижение кислорода), Дьюар (сжижение водорода, сосуд Дьюара), Камерлинг-Оннес (сжижение гелия, сверхпроводимость) и Пётр Капица (турбодетандер, сверхтекучесть).

Установки

Для сжижения газов необходимо охладить их ниже критической температуры. Основные методы охлаждения реализованы в специальных установках — ожижителях. В основе большинства из них лежит один из двух физических эффектов: эффект Джоуля-Томсона или адиабатическое расширение газа с совершением внешней работы.

Эффект Джоуля-Томсона заключается в изменении температуры газа при его медленном протекании под действием постоянного перепада давлений через дроссель (пористую перегородку). Для большинства газов при комнатной температуре это приводит к охлаждению. На этом принципе основана установка Линде, запатентованная Карлом фон Линде в 1895 году. В ней сжатый газ охлаждается, проходя через теплообменник, затем расширяется в дросселе, ещё больше охлаждаясь. Охлаждённый газ в теплообменнике отбирает тепло у следующей порции сжатого газа, создавая цикл с постепенным понижением температуры до точки сжижения.

Более эффективным является охлаждение за счёт совершения газом работы при расширении. Этот принцип используется в установке Клода (Жорж Клод, 1902 г.), где часть сжатого газа расширяется в поршневой машине (детандере), совершая работу и сильно охлаждаясь. Этот холодный поток используется для глубокого охлаждения основной части газа, которая затем сжижается дросселированием. Революционным усовершенствованием стала установка Капицы (1939 г.), в которой поршневой детандер был заменён высокоэффективной миниатюрной турбиной — турбодетандером. Это позволило создавать более производительные, надёжные и дешёвые промышленные установки для получения жидкого воздуха, кислорода и других газов.

Ответ: Основные типы установок для сжижения газов основаны на эффекте Джоуля-Томсона (машина Линде), адиабатическом расширении с совершением работы (машина Клода с поршневым детандером) и его более эффективной реализации с турбодетандером (машина Капицы).

Хранение и применение жидких газов

Хранение сжиженных газов, или криогенных жидкостей, требует высокоэффективной теплоизоляции для минимизации испарения. Для этих целей используются сосуды Дьюара — ёмкости с двойными стенками, между которыми создан глубокий вакуум для предотвращения теплопередачи за счёт проводимости и конвекции. Внутренние поверхности стенок часто покрывают отражающим слоем (серебрят) для уменьшения потерь тепла на излучение.

Применение жидких газов чрезвычайно разнообразно:

• Жидкий азот (T_кип = 77 К) — самый распространённый криоагент. Используется в медицине (криохирургия, криоконсервация биологических материалов), пищевой промышленности (шоковая заморозка), технике и науке для охлаждения различных устройств и материалов.
• Жидкий кислород (T_кип = 90 К) — сильный окислитель. Основное применение — компонент ракетного топлива (в паре с керосином или жидким водородом), а также в металлургии для производства стали и в медицине для дыхания.
• Жидкий водород (T_кип = 20 К) — высокоэффективное и экологически чистое ракетное топливо. Рассматривается как перспективный энергоноситель будущего в водородной энергетике.
• Жидкий гелий (T_кип = 4,2 К) — самая холодная жидкость, незаменима для достижения сверхнизких температур. Используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппаратах МРТ, ускорителях частиц (например, в Большом адронном коллайдере), а также в фундаментальных научных исследованиях.
• Сжиженный природный газ (СПГ) — в основном метан, сжижается для удобства транспортировки на большие расстояния и хранения.

Ответ: Жидкие газы хранят в сосудах Дьюара и применяют в качестве хладагентов (азот, гелий), компонентов ракетного топлива (кислород, водород), в медицине, промышленности и для транспортировки энергии (СПГ).

Особые свойства веществ при низких температурах

Область физики, изучающая явления при криогенных температурах, называется криофизикой. При глубоком охлаждении тепловое движение атомов замедляется настолько, что на макроскопическом уровне начинают проявляться квантовые эффекты, скрытые при обычных условиях. Это приводит к возникновению уникальных состояний вещества.

Сверхпроводимость — это явление полного исчезновения электрического сопротивления у некоторых материалов при их охлаждении ниже определённой критической температуры. Открыта Камерлинг-Оннесом в 1911 году на примере ртути. Сверхпроводники также способны выталкивать из своего объёма магнитное поле (эффект Мейснера). Это свойство используется для создания мощнейших электромагнитов.

Сверхтекучесть — это способность жидкости протекать через узкие щели и капилляры без трения (с нулевой вязкостью). Этим свойством обладает жидкий гелий-4 при температуре ниже лямбда-точки ($T_\lambda \approx 2.17$ K). Сверхтекучий гелий демонстрирует поразительные эффекты, например, способность «выползать» из сосуда по стенкам. Это макроскопическое проявление квантовых законов.

Кроме того, при низких температурах кардинально меняются механические свойства материалов. Многие металлы и пластмассы становятся хрупкими (холодноломкость), в то время как другие, наоборот, упрочняются. При температурах, близких к абсолютному нулю, становится возможным получение ещё одного экзотического состояния вещества — конденсата Бозе-Эйнштейна, в котором огромное число атомов ведут себя как единая квантовая частица.

Ответ: При низких температурах вещества проявляют особые свойства, обусловленные квантовыми эффектами: сверхпроводимость (нулевое электросопротивление), сверхтекучесть (нулевая вязкость), а также кардинально изменяют свои механические свойства.

Перспективы исследований

Исследования в области низких температур продолжают открывать новые горизонты в науке и технологиях. Одним из самых важных направлений является поиск и создание высокотемпературных сверхпроводников — материалов, сохраняющих сверхпроводящие свойства при как можно более высоких температурах, в идеале — при комнатной. Решение этой задачи произведёт революцию в энергетике (передача энергии без потерь), транспорте (поезда на магнитной левитации) и электронике.

Развитие квантовых компьютеров тесно связано с криогеникой. Большинство перспективных типов кубитов (основных элементов квантового компьютера) могут стабильно работать только при температурах, близких к абсолютному нулю. Это необходимо для подавления теплового шума и сохранения их квантовых свойств. Совершенствование криогенных систем — ключ к масштабированию квантовых процессоров.

В космической отрасли криогенные технологии необходимы для создания эффективных систем хранения топлива для длительных миссий (например, к Марсу), а также для охлаждения чувствительных детекторов астрономических телескопов, что позволяет им заглянуть в самые дальние уголки Вселенной. В медицине ведутся исследования по криоконсервации целых органов для трансплантации, что в будущем может решить проблему нехватки донорских органов. Развитие водородной энергетики также напрямую зависит от прогресса в технологиях производства, хранения и транспортировки жидкого водорода.

Ответ: Перспективы исследований в области сжижения газов и низких температур связаны с созданием высокотемпературных сверхпроводников, развитием квантовых компьютеров, новыми космическими и медицинскими технологиями (криоконсервация органов), а также с переходом к водородной энергетике.