Слайд 2
Основні кріогенні рідини
Азот
Кисень
Аргон
Неон
Фтор
Метан
Водень
Гелій-4
Гелій-3
Слайд 3
Загальна інформація
кріорідина під час кипіння при низькій температурі
може швидко поглинути значну кількість теплоти за високої тепловіддачі
кріорідини можна порівняно легко транспортувати та зберігати
кріорідини добре контактують з тілами складної форми.
Кріогенна рідина (кріорідина) – це речовина, що перебуває у рідкому стані за кріогенних температур
Кріорідини – основні робочі тіла, холодоносії, холодоагенти у кріогенних технологіях, бо:
Слайд 4
Основні властивості кріорідин
Слайд 5
Джерело кріорідин
Дійсний склад може відрізнятися від стандартного. Зокрема
вміст кисню поблизу екватора вищий, ніж у полярних областях.
Більшість кріорідин добувають з повітря, що є сумішшю багатьох газів. Стандартний склад повітря поблизу поверхні Землі наведено у таблиці.
Слайд 6
Склад сухого атмосферного повітря поблизу поверхні Землі
Слайд 7
Заходи безпеки
Кріорідини, потрапляючи на відкриті ділянки шкіри, спричинюють
обморожування, а також вражають слизову оболонку очей. Проби кріорідин
відбирають у захисних окулярах і рукавицях.
Слайд 8
Рідкий азот (N2)
Прозора рідина з нормальною температурою кипіння
77 К.
Порівняно дешевий, нетоксичний, має низьку хімічну активність.
Добувають
з повітря
(~78 об.%)
Слайд 9
Рідкий азот (N2)
Найчастіше використовують у кріогенних системах заморожування
(у тому числі харчових продуктів), а також у медицині.
Слайд 10
Рідкий азот (N2)
Під час зберігання зрідженого азоту не
слід допускати його контакту з повітрям, бо з повітря
може сконденсуватися кисень і змішатися з азотом, змінивши його властивості. З цих самих міркувань небажаний контакт з вуглеводнями.
Слайд 11
Рідкий кисень (O2)
Кисень також має істотну частку в
повітрі (~21 об.%), добувають його розділенням повітря. Зріджений кисень
— блакитна рідина (колір дає полімер О4), що має слабкі магнітні властивості. Завдяки останній властивості можна визначати наявність кисню у сумішах.
Слайд 12
Рідкий кисень (O2)
Рідкий кисень не горить, вибухобезпечний, але
є сильним окисником, тому значно збільшує швид-кість горіння інших
мате-ріалів. Органічні матеріа-ли (деревина, папір, асфальт, вугілля тощо), просочені рідким киснем, можуть детонувати. Для роботи з киснем використовують лише дозволені матеріали.
Спроба прискорити смаження барбекю додавши рідкого кисню призвела до вибуху
Слайд 13
Рідкий кисень (O2)
У технологіях, хімії, мета-лургії, машинобудуванні, будівництві,
медицині та ін.) частіше використовують газоподібний кисень. Його отримують
за рахунок випаровування рідкого кисню, а для зберігання та транспортування закачують у балони (2, 4, 5, 10, 40 л) під тиском до 200 кгс/см2 (19,6 МПа).
Слайд 14
Рідкий кисень (O2)
При концентраціях понад 60 % газоподібний
кисень токсичний. Використовувати чистий кисень для дихання можна лише
за зниженого тиску.
Слайд 15
Рідкий аргон (Ar)
Прозора рідина, яку добувають з повітря
(0,93 об.%); інертний, нетоксичний. Газоподібний аргон використовують у техніці
для створення інертних середовищ (наприклад, під час електрозварювання).
Слайд 16
Рідкий неон (Ne)
Прозора рідина, яку добувають з повітря
(18⋅10-4 об.%); інертний, нетоксичний. Неон доцільно використовувати у кріорефрижераторах,
бо маючи нормальну темпера-туру кипіння, порівнянну з воднем (27 ↔ 20), неон має вищу теплоту випаровування (880 ↔ 447).
Суміш азоту з неоном при проходженні електричного розряду світиться помаранчевим кольором (її використовують у газорозрядних лампах)
Слайд 17
Рідкий метан (СН4)
Метан – основна складова природного газу.
Горючий. З повітрям утворює вибухонебезпечні суміші. Метан використовують у
хімічній промисловості, а також як паливо. Для зберігання та перевезень його зріджують. Зріджений метан — прозора рідина
Слайд 18
Рідкий фтор (F)
Світло-жовта рідина. Високотоксичний. Дуже активний, реагує
з усіма органічними речовинами, з вуглеводнями — зі спалахом.
У середовищі фтору горить більшість неорганічних речовин.
При контакті з більшістю металів на поверхні утворює тонку плівку фториду, що захищає метал, проте при зберіганні у металевій тарі за певних умов можливе загоряння контейнера
Слайд 19
Рідкий водень (H2)
Прозора рідина, найчастіше добувають з природного
газу. Водень горючий за наявності кисню, вибухонебезпечний. Для зрідженого
водню додаткова небезпека вибуху виникає через можливість утворення детонуючих сумішей «твердий кисень – рідкий водень» та «тверде збагачене киснем повітря – рідкий водень».
Слайд 20
Рідкий водень (H2)
У звичайному стані у 75 %
молекул водню спіни ядер — двох протонів — спрямовані
в один бік (ортоводень), а у 25% молекул — у протилежні боки (параводень). У рідкому водні відбувається повільний орто-пара-перехід (конверсія), ортоводень перетворюється на параводень, (у рідкому водні 99,8% параводню).
При цьому виділяється теплота конверсії. У діапазоні 15–70 К вона ≈ 706 кДж/кг
Слайд 21
Рідкий водень (H2)
Теплота конверсії водню (706 кДж/кг) вища
за теплоту його випаровування (447 кДж/кг), тому внаслідок поступового
проходження конверсії зріджений водень може повністю випаруватися.
Слайд 22
Рідкий водень (H2)
Вихід – прискорена конверсія у спеціальних
реакторах за наявності твердих каталізаторів (активоване вугілля, оксиди металів,
гідроксиди заліза, мангану, хрому, нікелю) на кількох температурних рівнях – найчастіше 65–70 К та 20 К
Слайд 23
Рідкий водень (H2)
1 – резервуар рідкого ортоводню, 2
– насос, 3 – теплообмінник-регенератор, 4 – ре-зервуар,
5 – конвер-тор з каталізатором, 6 – детандер, 7 – дросель, 8 – резервуар рідкого параводню, 9 – вентиль видачі рідкого параводню, 10 – генератор.
Схема установки каталітичної конверсії рідкого водню:
Слайд 24
Рідкий гелій-4 (4He)
Прозора рідина, яку добувають з
природного газу (0,2–2 об.%). Після охолодження відкачуванням пари нижче
за 2,17 К у рідкому гелії відбувається λ-перехід до Не-II — суміші звичайної та надплинної компонент.
Надплинна компонента Не-ІІ складається з атомів гелію, що мають нульову енергію, її вміст зростає зі зменшенням температури.
Слайд 25
Рідкий гелій-4 (4He)
Надплина компонента Не-ІІ практично не має
в’язкості – вона «орга-нізовано» протікає в отвори діаметром до
0,5 мкм, непроникні навіть для газу, бо у газі молекули рухаються хаотично.
Теплопровідність надплинної компоненти дуже висока (до 105 кВт/(м⋅К). Насправді теплота у ній переноситься за рахунок дуже інтенсивної конвекції та хвиль. Тому кипіння після λ-переходу припиняється – йде лише випаровування з поверхні
Слайд 26
Рідкий гелій-4 (4He)
Затоплений струмінь – надплинна компонента гелію
«вповзає» у колбу Б назустріч потоку звичайної рідини, що
після нагрівання у колбі втрачає надплинність. При цьому надплинний потік не відхиляє крильце Г.
Слайд 27
Рідкий гелій-4 (4He)
«Товсті» плівки –рідкий Не-ІІ утворює плівку
завтовшки близько 100 атомів на стінках пробірки і тече
без в’язкісного опору, в тому числі вгору
Слайд 28
Рідкий гелій-4 (4He)
Фонтанування
Нагріваючись, рідина втрачає надплинність, надплинна компонента
надходить крізь поруватий матеріал ззовні для вирівнювання концентрації, а
звичайна компонента не може пройти крізь пори, тому в посудині зростає тиск і рідина фонтанує на висоту до 30 см.
Слайд 29
Рідкий гелій-4 (4He)
Рідкий Не-ІІ за рахунок низької в’язкості
перетікає з холодніших ділянок до тепліших. Тому в ньому
виникає «другий звук», що є місцевими коливаннями температури та ентропії, а не тиску, як для звичайного звуку. Хвилі другого звуку можуть утворювати стоячі хвилі, відбиватися. Теплота у надплинній фазі передається хвилеподібним рухом – це ще одна причина її високої теплопровідності
Слайд 30
Рідкий гелій-3 (3He)
Прозора рідина. Є побічним продуктом розпаду
радіоактивного тритію.
Розглядається, як потенційне термоядерне паливо, але для
початку реакції потрібна температура порядку 109 К
Суміш рідких 3Не і 4Не за T<0,827 К сама розділяється на дві фази — надплинну і нормальну — з поглинанням теплоти. Цей ефект використовують у рефрижераторах розчинення.
