气体液化

物理和化学都关注物质、能量及其相互作用的研究。科学家们知道物质可以改变状态，并且由于热力学规则，系统的物质和能量的总和是恒定的。当添加或去除能量时，物质会改变状态，形成物质状态。物质与自身相互作用以产生均质相的方式之一称为物质状态。

“物质状态”和“物质相”是可互换的术语。这在大多数情况下都很好。一个系统在技术上可以具有相同物质条件的多个阶段。例如，实心钢棒可以包含铁素体、渗碳体和奥氏体。在油和醋的混合物（液体）中有两个液相。

气体液化

液化是将气态物质转化为液态的过程。

For instance, oxygen is usually a gaseous substance that may be changed to a liquid by exerting enough pressure and lowering the temperature.

为了液化气体，分子必须靠得更近。通过降低温度和增加压力，可以实现这一点。当气体上的压力增加时，分子会越来越近，直到它们合并形成特定压力的液体。

然而，当气体的温度降低时，分子会失去动能，导致速度显着下降。缓慢移动的分子无法抵抗吸引力，因此它们越来越靠近，直到它们聚集在一起形成液体。

气体的液化是由温度降低和压力升高引起的。

气体液化的必要条件

以下是液化气体必须满足的两个条件：

• 低温
• 高压力

临界温度

T. Andrews 于 1869 年研究了气体液化现象，并成功地液化了多种气体。他发现，无论施加多高的压力，每种气体都有一个特定的温度，高于该温度就无法液化。这个温度被称为气体的临界温度。可以定义如下：

The critical temperature of a gas is the temperature above which it is impossible to liquefy it with any amount of pressure.

例如，二氧化碳的临界温度为 30.98 ^o C。这意味着对二氧化碳施加的任何压力都不会使其在 30.98 ^o C 以上液化。

T _c是临界温度的符号。它由 -

T _c =8a / 27bR

其中 R 是气体常数，a 和 b 是范德华常数。

临界压力和临界容积：

气体的临界压力是在临界温度下液化所需的最小压力。 P _c是它的符号，它由-

P _c =a / 27b ²

其中 a 和 b 是范德华常数。

气体的临界体积是一摩尔气体在临界条件下所占的体积。 V _c是它的符号，它由-

V _c =3b

每摩尔气体分子的有效体积用b表示。

气体的临界常数是 Tc、Pc 和 Vc。

二氧化碳等温线

T. Andrews 进行了一系列二氧化碳测试，分析了不同温度下气体的压力-体积关系并绘制了结果。二氧化碳的 P-V 等温线是这些曲线的名称。在 0°C、21°C、31.1°C 和 50°C 下，获得等温线。

• 二氧化碳在 A 点以气体形式出现，这是使用的最低温度，即低压下的 13.1 ^o C。
• 可以看出，随着压力沿曲线增加，气体的体积下降。
• 直到 B 点，二氧化碳在达到 21.5 ^o C 时表现得像气体。
• 气体在 B 点以双重状态存在，即既是液体又是气体。
• 在 C 点，所有的二氧化碳冷凝，导致压力增加。
• 因为液体的体积比气体小得多，所以随着液化的开始，气体的体积迅速减小。
• 因为液体的可压缩性相对较小，一旦液化完成，压力升高对体积的影响很小。结果，产生了陡峭的曲线。陡峭的线描绘了液体等温线。
• 在 30.98 ^o C 以下，气体的压缩行为有很大不同，每条曲线都遵循类似的模式。在较低的温度下，只有水平线的长度会上升，而在临界点，等温线的水平部分会合并为一个点。
• 尽管可以施加相当大的压力，但气体不能在超过 30.98 ^o C 时液化。因此，二氧化碳的临界温度为 30.98 ^o C。
• 由于等温压缩，人们发现所有气体的行为都与二氧化碳相同。

临界温度的重要性：在气体的液化过程中，临界温度至关重要。只有当气体低于其临界温度时，它才能被液化。具有高临界温度的气体，例如NH ₃ 、CO ₂ 、SO ₂等，可以通过施加足够的压力来液化。

具有低或非常低临界温度的气体，例如 H ₂ 、He 等，不能简单地通过对其加压来液化。只有将它们冷却到临界温度以下，然后暴露在足够的压力下，它们才能液化。

实现气体液化所需的条件

以下原则通常可应用于气体冷却：

1. 通过将气体压缩到其临界温度以下。
2. 焦耳-汤姆逊效应：当高度压缩的气体在绝热环境下通过节流阀（多孔塞或射流）从高压区域移动到低压区域时，其温度会下降到其反转温度以下。焦耳-汤姆逊效应是气体液化中常用的一种现象。
3. 涉及机械功的绝热膨胀：当气体经历涉及机械功的绝热膨胀时，其部分动能损失，温度下降。

气体液化方法

• 林德方法- 在此过程中使用焦耳 - 汤姆逊效应。纯净、干燥的空气被送入压缩机，将其压缩至约 200 个大气压。然后通过使压缩热通过由冷冻液体如液氨冷却的导管来除去压缩热。然后，加压空气通过绝缘室进入螺旋管，螺旋管的一端有喷嘴。压缩空气在通过射流时膨胀，导致温度显着降低。膨胀的空气通过腔室上升，冷却通过螺旋管进入的新鲜空气。然后将其收集并通过导管返回压缩机。当空气充分冷却和液化时，该过程会一次又一次地进行。

林德法

• 克劳德的方法——这种方法涉及机械功，并利用焦耳-汤姆逊效应和气体的绝热膨胀效应。压缩机只接受清洁、干燥的空气，压缩到大约 200 个大气压。然后通过用冷冻液冷却来去除压缩热。一根管子将压缩气体输送到绝热室。这里分为两部分。一个组件通过末端带有喷射器的螺旋管，在那里它经历焦耳-汤姆逊膨胀并记录温度下降。另一半被插入发动机的气缸中，在那里它通过将活塞推回并被冷却来做机械工作。然后它进入隔热室并与喷气机的空气混合。输送进入空气的管道随后被冷却。冷却的空气被收集并返回到压缩机。当空气充分冷却和液化后，整个过程将反复进行。

克劳德的方法

示例问题

问题1：液化的过程是什么？

回答：

Liquefaction is the transformation of a gaseous substance into a liquid condition.

For instance, oxygen is usually a gaseous substance that may be changed to a liquid by exerting enough pressure and lowering the temperature.

问题2：临界温度在气体液化中起什么作用？

回答：

In the liquefaction of gases, the critical temperature is crucial. Only when a gas is below its critical temperature can it be liquefied.

问题3：气体液化有什么用途？

回答：

The most major benefit of gas liquefaction is that it allows for considerably more compact storage and transportation than is possible in the gaseous condition. LPG and Liquid Oxygen, for example, are two of the most significant gases.

问题4：压力在气体液化中起什么作用？

回答：

When enough pressure is applied to a gas, the space between its particles shrinks, the gas begins to compress, and the gases begin to liquefy.

问题5：气体液化的原理是什么？

回答：

The liquefaction of gases requires high pressure and low temperature, according to the principle. Increasing the pressure leads the gas molecules to move closer together, while lowering the temperature causes the attractive forces to rise.

问题6：气体液化过程中最重要的两个步骤是什么？

回答：

The following are the two primary steps involved in the liquefaction of gases: 

• Increase the pressure, which pushes the gas molecules closer together.
• The temperature is dropped, which causes the attraction forces to increase.