Плотность азота при давлении и температуре. Азот: характеристика, химические свойства, физические свойства, соединения, место в природе
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
При обычных условиях азот - бесцветный газ, состоящий из молекул N 2 .
Прочная внутримолекулярная связь, небольшой размер и неполярность молекулы азота являются причинами слабого межмолекулярного взаимодействия, поэтому азот имеет низкие температуры кипения и плавления.
Азот не имеет запаха. Мало растворим в воде и немного легче воздуха: масса 1 л азота равна 1,25 г.
Важнейшие константы азота представлены в таблице ниже:
Таблица 1. Физические свойства и плотность азота.
Молекула азота N 2 в основном состоянии имеет следующую электронную конфигурацию: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2 ]. В атоме азота в основном состоянии имеется три неспаренных электрона. Это свидетельствует о том, что валентность азота равна трем. Однако, несмотря на тот факт, что для азота не характерно наличие возбужденного состояния, данный элемент способен проявлять в своих соединениях валентности I, II, IV и V.
Распространенность азота в природе
Азот способен находиться в природе в форме простого вещества в природе (содержание азота в воздухе составляет -78 (об.) %). В виде аминокислот и нуклеиновых кислот азот входит всостав животных и растительных организмов. Из природных минералов промышленное значение имеют чилийская селитра (NaNO 3) и калийная селитра (KNO 3). Общее содержание азота в земной коре (включая гидросферу и атмосферу) составляет 0,04% (масс.).
Краткое описание химических свойств и плотность азота
Молекулярный азот обладает крайне низкой реакционной способностью, что обусловлено наличием в молекуле N 2 прочной тройной связи, а также неполярностью молекулы. Действительно, энергия ионизации молекулы азота 1402 кДж/моль близка к энергии ионизации атома аргона 1520 кДж/моль, иными словами, азот - плохой восстановитель.
Сродство молекулярного азота к электрону -3,6 эВ, поэтому при комнатной температуре он реагирует лишь с некоторыми сильными восстановителями, например, с литием. Процесс протекает через стадию одноэлектронного восстановления с образованием неустойчивого пернитрида Li + N 2 — , который в ходе реакции превращается в нитрид:
6Li + N 2 = 2Li 3 N.
Для образования нитрида магния Mg 3 N 2 из простых веществ требуется нагревание до 300 o С. Нитриды активных металлов представляют собой ионные соединения, гидролизующиеся водой с образованием аммиака.
В электрическом разряде в молекуле азота происходит переход электрона с орбитали σ(2p z) на π * (2p z). Такие возбужденные молекулы быстро возвращаются в обычное состояние, испуская желтое свечение. Иногда оно длится в течение нескольких минут после прекращения разряда. В возбужденном состоянии азот обладает высокой реакционной способностью. Действительно, в электрическом разряде он реагирует с кислородом:
N 2 + O 2 ↔ 2NO.
Реакция с водородом протекает при повышенных значениях температуры (400 o С) и давления (200 атм) в присутствии катализатора (Fe):
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 .
Азот не взаимодействует с серой и галогенами.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Вычислите плотность а) по кислороду; б) по азоту; в) по воздуху следующих газов: иодоводорода HI и оксида азота (I). |
| Решение |
M r (HI) = A r (H) + A r (I) = 1 + 127 = 128. D air (HI) = M r (HI) / M r (air) = 128 / 29 = 4,41; D O2 (HI) = M r (HI) / M r (O 2) = 128 / 32 = 4; D N2 (HI) = M r (HI) / M r (N 2) = 128 / 28 = 4,57. M r (N 2 O) = 2 ×A r (N) + A r (O) = 2 ×14 + 16 = 28 + 16 = 44. D air (N 2 O) = M r (N 2 O) / M r (air) = 44 / 29 = 1,52; D O2 (N 2 O) = M r (N 2 O) / M r (O 2) = 44 / 32 = 1,375; D N2 (N 2 O) = M r (N 2 O) / M r (N 2) = 44 / 28 = 1,57. |
| Ответ | Плотности иодоводорода по воздуху, кислороду и азоту соответственно равны 4,41, 4 и 4,57; плотности оксида азота (I) по воздуху, кислороду и азоту соответственно равны 1,52, 1,375 и 1,57. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Вычислите плотность а) по кислороду; б) по азоту; в) по воздуху следующих газов: оксида азота (IV) и фтороводородаHF. |
| Решение | Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. M r (HF) = A r (H) + A r (F) = 1 + 19 = 20. D air (HF) = M r (HF) / M r (air) = 20 / 29 = 0,69; D O2 (HF) = M r (HF) / M r (O 2) = 20 / 32 = 0,625; D N2 (HF) = M r (HF) / M r (N 2) = 20 / 28 = 0,71. M r (O 2) = 2 ×A r (O) = 2 × 16 = 32. M r (N 2) = 2 ×A r (N) = 2 × 14 = 28. M r (NO 2) = A r (N) + 2 ×A r (O) = 14 + 2 ×16 = 14 + 32 = 46. D air (NO 2) = M r (NO 2) / M r (air) = 46 / 29 = 1,59; D O2 (NO 2) = M r (NO 2) / M r (O 2) = 46 / 32 = 1,44; D H2 (NO 2) = M r (NO 2) / M r (N 2) = 46 / 28 = 1,64. |
| Ответ | Плотности фтороводорода по воздуху, кислороду и азоту соответственно равны 0,69, 0,625 и 0,71; плотности оксида азота (IV) по воздуху, кислороду и азоту соответственно равны 1,59, 1,44 и 1,64. |
АЗОТ, N (лат. Nitrogenium * а. nitrogen; н. Stickstoff; ф. azote, nitrogene; и. nitrogeno), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Открыт в 1772 английским исследователем Д. Резерфордом.
Свойства азота
При обычных условиях азот — газ без цвета и запаха. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: 14 N (99,635%) и 15 N (0,365%). Молекула азота двухатомная; атомы связаны ковалентной тройной связью NN. Диаметр молекулы азота, определённый разными способами, 3,15-3,53 А. Молекула азота очень устойчива — энергия диссоциации 942,9 кДж/моль.
Молекулярный азот
Константы молекулярного азота: f плавления — 209,86°С, f кипения — 195,8°С; плотность газообразного азота 1,25 кг/ м 3 , жидкого — 808 кг/м 3 .
Характеристика азота
В твёрдом состоянии азот существует в двух модификациях: кубической а-форме с плотностью 1026,5 кг/м 3 и гексагональной b-форме с плотностью 879,2 кг/м 3 . Теплота плавления 25,5 кДж/кг, теплота испарения 200 кДж/кг. Поверхностное натяжение жидкого азота в контакте с воздухом 8,5.10 -3 Н/м; диэлектрическая проницаемость 1,000538. Растворимость азота в воде (см 3 на 100 мл Н 2 О): 2,33 (0°С), 1,42 (25°С) и 1,32 (60°С). Внешняя электронная оболочка атома азота состоит из 5 электронов. Степени окисления азота меняются от 5 (в N 2 О 5) до -3 (в NH 3).
Соединение азота
Азот при нормальных условиях может реагировать с соединениями переходных металлов (Ti, V, Mo и др.), образуя комплексы либо восстанавливаясь с образованием аммиака и гидразина. С такими активными металлами, как , азот взаимодействует при нагревании до сравнительно невысоких температур. С большинством других элементов азот реагирует при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Хорошо изучены соединения азота с : N 2 О, NO, N 2 О 5 . С азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов; при этом образуется аммиак NH 3 . С галогенами азот непосредственно не взаимодействует; поэтому все галогениды азота получают только косвенным путём, например фтористый азот NF 3 — при взаимодействии с аммиаком. С серой также не происходит непосредственного соединения азота. При взаимодействии раскалённого с азотом образуется циан (CN) 2 . При действии на обычный азот электрических разрядов, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться активный азот, представляющий собой смесь молекул и атомов азота, обладающих повышенным запасом энергии. Активный азот весьма энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами , и некоторыми металлами.
Азот — один из самых распространённых элементов на Земле, причём основная его масса (около 4.10 15 т) сосредоточена в свободном состоянии в . Ежегодно при вулканической деятельности в атмосферу выделяется 2.10 6 т азота. Незначительная часть азота концентрируется в (среднее содержание в литосфере 1,9.10 -3 %). Природные соединения азота — хлористый аммоний и различные нитраты (селитры). Нитриды азота могут образовываться только при высоких температурах и давлениях, что, по-видимому, имело место на самых ранних стадиях развития Земли. Крупные скопления селитры встречаются только в условиях сухого пустынного климата ( , и др.). Небольшие количества связанного азота находятся в (1-2,5%) и (0,02-1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах (0,1 %) и живых организмах (0,3%). Азот входит в состав белковых молекул и многих естественных органических соединений.
Круговорот азота в природе
В природе осуществляется круговорот азота, который включает цикл молекулярного атмосферного азота в биосфере, цикл в атмосфере химически связанного азота, круговорот захоронённого с органическим веществом поверхностного азота в литосфере с возвратом его обратно в атмосферу. Азот для промышленности ранее добывался целиком из месторождений природных селитр, число которых в мире весьма ограничено. Особенно крупные залежи азота в виде азотнокислого натрия находятся в Чили; добыча селитры в отдельные годы составляла более 3 млн. т.
Жидкий азот это вещество азот N2 в жидком состоянии при экстремально низкой температуре -196C (77.35K) при давлении 101,3кПа. Зависимость температуры кипения жидкого азота от давления представлена в . Жидкий азот не обладает цветом и запахом. При контакте с воздухом жидкий азот поглощает из него кислород, образуя раствор кислорода в азоте в связи с чем температура кипения смеси постепенно меняется.
Температура жидкого азота может быть понижена до точки замерзания -210С (63К) при создании необходимого разряжения над его поверхностью. Разряжение достигают путем откачки емкости с жидким азотом вакуумным насосом соответствующей производительности.
Плотность жидкого азота при давлении при давлении 101,3кПа составляет 808кг/м3. Зависимость плотности жидкого азота от давления представлена в .
Жидкий азот получают путем ожижения атмосферного воздуха с дальнейшим его разделением на ректификационной колонне, либо ожижением газообразного азота, полученного с помощью мембранного, либо сорбционного метода разделения воздуха. В атмосферном воздухе содержание газообразного азота составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму).
Таблица 1.
Марки жидкого азота классифицируют в соответствии с .
| Марка азота / состав | ||||||
| Особой чистоты (ОСЧ) | Повышенной чистоты | Технический | ||||
| 1-й сорт | 2-й сорт | 1-й сорт | 2-й сорт | 1-й сорт | 2-й сорт | |
| Объемная доля азота, %, не менее | 99,999 | 99,996 | 99,99 | 99,95 | 99,6 | 99,0 |
| Объемная доля кислорода, %, не более | 0,0005 | 0,001 | 0,001 | 0,05 | 0,4 | 1,0 |
Для хранения жидкого азота используются специальные емкости с вакуумной изоляцией. Небольшие емкости для хранения жидкого азота емкостью менее 50л называют сосудами Дьюара, емкости большего объема называют криогенными сосудами, криогенными емкостями и цистернами. При хранении азот испаряется, наиболее качественные емкости характеризуется минимальным значением его испарения. Для криогенных сосудов типичные потери продукта составляют 1-2% в сутки, для сосудов Дьюара 0,2-0,3% в сутки.
Жидкий азот используют для охлаждения различных объектов и для газификации. Газификация жидкого азота позволяет существенно сократить издержки на доставку газообразного азота потребителю. Для газификации жидкого азота используются специальные сосуды газификаторы различных модификаций и азот марки ОСЧ. Для охлаждения достаточно технического азота, т.к. для охлаждения различных объектов как правило отсутствуют требования на чистоту азота. Под чистотой азота понимается степень содержания в нем кислорода.
Таблица 2. Давление насыщенных паров азота при температурах 20-126К
| Т, К | p, гПа | Т, К | p, МПа |
| над кристаллом | над жидкостью | ||
| 20,0 | 1,44×10 -10 | 63,15* | 0,0125* |
| 21,2 | 1,47×10 -10 | 64 | 0,0146 |
| 21,6 | 3,06×10 -10 | 66 | 0,0206 |
| 22,0 | 6,13×10 -10 | 68 | 0,0285 |
| 22,5 | 1,59×10 -9 | 70 | 0,0386 |
| 23,0 | 3,33×10 -9 | 72 | 0,0513 |
| 24,0 | 1,73×10 -8 | 74 | 0,0670 |
| 25,0 | 6,66×10 -8 | 76 | 0,0762 |
| 26,0 | 2,53×10 -7 | 77,36** | 0,1013** |
| 26,4 | 4,26×10 -7 | 80 | 0,1371 |
| 30,0 | 3,94×10 -5 | 82 | 0,1697 |
| 37,4 | 1,17×10 -2 | 84 | 0,2079 |
| 40,0 | 6,39×10 -2 | 86 | 0,2520 |
| 43,5 | 1,40×10 -1 | 88 | 0,3028 |
| 49,6 | 3,49 | 90 | 0,3608 |
| 52,0 | 7,59 | 92 | 0,4265 |
| 54,0 | 13,59 | 94 | 0,5006 |
| 56,0 | 23,46 | 96 | 0,5836 |
| 58,0 | 39,19 | 98 | 0,6761 |
| 60,0 | 69,92 | 100 | 0,7788 |
| 62,0 | 98,11 | 102 | 0,8923 |
| 104 | 1,0172 | ||
| 106 | 1,1541 | ||
| 108 | 1,3038 | ||
| 110 | 1,4669 | ||
| 116 | 2,0442 | ||
| 120 | 2,5114 | ||
| 124 | 3,0564 | ||
| 126,2 *** | 3,4000*** | ||
Примечание: * - тройная точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка
Таблица 3. Плотность жидкого азота в диапазоне температур 63-126К
| Т, К | ρ, кг/м3 |
| 63,15 | 868,1 |
| 70 | 839,6 |
| 77,35 | 807,8 |
| 80 | 795,5 |
| 90 | 746,3 |
| 100 | 690,6 |
| 110 | 622,7 |
| 120 | 524,1 |
| 126,25 | 295,2 |
Таблица 4. Приблизительный расход жидкого азота на охлаждение некоторых металлов
| Хладагент |
Температурный интервал охлаждения металла, К |
Расход хладагента, л на 1 кг металла | ||
| Алюминий | Нержавеющая сталь | Медь | ||
| При использовании теплоты парообразования | ||||
| Жидкий азот | 300 до 77 | 1,0 | 0,53 | 0,46 |
| При использовании теплоты парообразования и теплоемкости пара | ||||
| Жидкий азот | 300 до 77 | 0,64 | 0,34 | 0,29 |
Таблица 5. Основные физические свойства жидкого азота
| Параметр, свойство | Азот | |
| Температура кипения, К | 77,36 | |
| Критическая точка |
|
|
| Тройная точка |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
| Отношение разницы энтальпий газа при Т=300К и Т=4,2К к теплоте парообразования, Δi/r | 1,2 | |
|
||
| Диэлектрическая постоянная жидкости | 1,434 | |
| Газ при нормальных условиях (t= 0 °C, p=101,325кПа) | ||
|
|
|
|
|
|
Азот - химический элемент периодической системы, обозначающийся буквой N и имеющий порядковый номер 7. Существует в виде молекулы N2, состоящей из двух атомов. Это химическое вещество представляет собой бесцветный, без запаха и без вкуса газ, он является инертным при стандартных условиях. Плотность азота при нормальных условиях (при 0 °C и давлении 101,3 кПа) равна 1,251 г/дм3. Элемент входит в состав в количестве 78,09 % от ее объема. Впервые был обнаружен как компонент воздуха шотландским врачом Даниэлем Резерфордом в 1772 году.
Жидкий азот является криогенной жидкостью. При атмосферном давлении он кипит при температуре - 195,8 °C. Поэтому его можно хранить только в изолированных сосудах, которыми являются стальные баллоны для сжиженных газов или Только в этом случае его можно хранить или транспортировать без особых потерь из-за испарения. Как и сухой лед (сжиженный иначе называемый углекислота), жидкий азот используется в качестве хладагента. Кроме того, его применяют для криоконсервации крови, половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), а также других биологических образцов и материалов. Он востребован и в клинической практике, например, в криотерапии при удалении кисты и бородавок на коже. Плотность жидкого азота равняется 0,808 г/см3.
Многие промышленно важные соединения, такие, как аммиак, органические нитраты (взрывчатые вещества, топливо) и цианиды, содержат N2. Чрезвычайно сильные связи элементарного азота в молекуле вызывают трудности для участия его в химических реакциях, этим объясняется его инертность при стандартных условиях (температуре и давлении). В том числе и по этим причинам N2 имеет большое значение во многих научных и производственных сферах. Например, он необходим для поддержания внутрипластового давления при добыче нефти или газа. Любое его практическое или научное применений требует знать, какова будет плотность азота при конкретном давлении и температуре. Из законов физики и термодинамики известно, что при постоянном объеме с ростом температуры будет расти давление и и наоборот.
Когда и зачем нужно знать плотность азота? Расчет этого показателя применяется при проектировании технологических процессов, протекающих с применением N2, в лабораторной практике и на производстве. Используя известное значение плотности газа, можно рассчитать его массу в определенном объеме. Например, известно, что газ занимает при нормальных условиях объем 20 дм3. В этом случае можно рассчитать его массу: m = 20 . 1,251 = 25,02 г. Если условия отличные от стандартных, и известен объем N2 при этих условиях, то потребуется сначала найти (по справочникам) плотность азота при определенном давлении и температуре, а затем эту величину умножить на объем, занимаемый газом.
Подобные расчеты проводят на производстве при составлении материальных балансов технологических установок. Они необходимы для ведения технологических процессов, выбора контрольно-измерительных приборов, расчета технико-экономических показателей и прочее. Например, после остановки химического производства все аппараты и трубопроводы должны перед их вскрытием и выводом в ремонт продуваться инертным газом - азотом (он самый дешевый и наиболее доступный по сравнению, например, с гелием или аргоном). Как правило, они продуваются таким количеством N2, который в несколько раз превышает объем аппаратов или трубопроводов, только так можно удалить из системы горючие газы и пары и исключить взрыв или пожар. Планируя операции перед остановочным ремонтом, технолог, зная объем опорожняемой системы и плотность азота, рассчитывает массу N2, которая потребуется для продувки.
Для упрощенных расчетов, не требующих точности, реальные газы приравнивают к идеальным газам и применяют закон Авогадро. Так как масса 1 моль N2 численно равняется 28 граммам, а 1 моль любого идеального газа занимает объем 22,4 литра, то плотность азота будет равняться: 28/22,4 = 1,25 г/л = 1,25 г/дм3. Этот способ быстрого нахождения плотности применим для любого газа, а не только N2. Его часто используют в аналитических лабораториях.
Свойства криогенных жидкостей при криогенных температурах. Гелий, Водород, Неон, Азот, Аргон, Кислород
Таблица 1 Температуры кипения жидких хладагентов (при нормальном давлении)
Таблица 2 Справочно - состав сухого атмосферного воздуха
| Компонент | Объемная доля | Азот, кислород, аргон, неон, криптон, ксенон - это основные продукты разделения воздуха, извлекаемые из него в промышленных масштабах методами низкотемпературной ректификации и сорбции. В таблице 1.2 приведены объемные доли различных компонентов сухого воздуха у поверхности Земли. Несмотря на большое разнообразие возможных жидких хладагентов, в научной практике в основном применяются жидкий гелий и жидкий азот. Водород и кислород чрезвычайно взрывоопасны, а жидкие инертные газы не позволяют получать достаточно низкие температуры (таблица 1). В области температур около 70-100К с успехом используется жидкий азот как безопасный и относительно дешевый хладагент (объемная доля в сухом атмосферном воздухе составляет примерно 78 %). Для получения температур ниже 70К, как правило, используют гелий. Гелий имеет два устойчивых изотопа - 3Не и 4Не. Оба изотопа гелия инертны. Основным источником 4Не является природный газ, в котором его содержание может достигать 1-2 %. Обычно промышленной переработке для извлечения 4Не, заключающейся в последовательной очистке исходного сырья, подвергают природный газ с содержанием гелия более 0,2 %. Доля легкого изотопа 3Не в 4Не обычно составляет 10 -4 - 10 -5 %, поэтому 3Не получают при радиоактивном распаде трития, образующегося в ядерных реакторах. Поэтому когда говорят о гелии или жидком гелии, подразумевают 3Не, если это не оговорено особо. Жидкий гелий 3Не используется в низкотемпературных устройствах, рассчитанных на работу при температуре ниже 1К. |
| Азот N2 | 78,09 | |
| Кислород O2 | 20,95 | |
| Аргон Ar | 0,93 | |
| Оксид углерода CO2 | 0,03 | |
| Неон Ne | 1810 -4 | |
| Гелий He | 5,24x10 -4 | |
| Углеводороды | 2,03x10 -4 | |
| Метан СН4 | 1,5x10 -4 | |
| Криптон Kr | 1,14x10 -4 | |
| Водород H2 | 0,5x10 -4 | |
| Оксид азота N2O | 0,5x10 -4 | |
| Ксенон Xe | 0,08x10 -4 | |
| Озон O3 | 0,01x10 -4 | |
| Радон Rn | 6,0x10 -18 |
Все вещества, используемые в качестве хладагентов, не имеют цвета и запаха ни в жидком, ни в газообразном состоянии. Они не обладают магнитными свойствами и при обычных условиях не проводят электрический ток. В табл. 3 приведены основные характеристики наиболее распространенных хладагентов - азота и гелия.
Таблица 3 Физические параметры жидкого и газообразного азота и гелия
| Параметр, свойство | Азот | Гелий | ||
| Температура кипения, К | 77,36 | 4,224 | ||
| Критическая точка |
|
|
|
|
| Тройная точка |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
| Отношение разницы энтальпий газа при Т=300К и Т=4,2К к теплоте парообразования, Δi/r | 1,2 | 70 | ||
|
||||
| Диэлектрическая постоянная жидкости | 1,434 | 1,049 | ||
| Газ при нормальных условиях (t= 0 °C, p=101,325кПа) | ||||
|
|
|
||
|
|
|
||
Обратим внимание на ряд важных моментов: - жидкий гелий намного легче азота (плотности различаются почти в 6,5 раз); - жидкий гелий имеет очень низкую удельную теплоту парообразования r = 20,2Дж/г, в то время как для азота r = 197,6Дж/г. Это значит, что для испарения 1г азота требуется в 9,8 раз больше подводимого тепла. Учитывая большую разницу между плотностями жидкого гелия и жидкого азота, теплоты парообразования на литр различаются еще сильнее - в 63,3 раза! Как следствие, одинаковая подводимая мощность приведет к испарению существенно разных объемов жидкого гелия и жидкого азота. Нетрудно убедиться, что при подводимой мощности в 1Вт за один час испарится примерно 1,4л жидкого гелия и 0,02л жидкого азота; - путем откачки паров можно понизить температуру жидкого азота до тройной точки Ттр = 63,15К при р кр = 12,53кПа. При переходе через тройную точку жидкий азот замерзнет - перейдет в твердое состояние. При этом возможна дальнейшая откачка паров азота над кристаллом и, как следствие, понижение температуры системы. В таблице 4 приведены значения давления насыщенных паров азота в широком диапазоне температур. Тем не менее на практике, как правило, для получения более низких температур используют либо жидкий гелий, либо устройства под названием “криокулеры”.
Таблица 4 Давление насыщенных паров азота при криогенных температурах
| Т, К | p, гПа | Т, К | p, МПа |
| над кристаллом | над жидкостью | ||
| 20,0 | 1,44×10 -10 | 63,15 * | 0,0125* |
| 21,2 | 1,47×10 -10 | 64 | 0,0146 |
| 21,6 | 3,06×10 -10 | 66 | 0,0206 |
| 22,0 | 6,13×10 -10 | 68 | 0,0285 |
| 22,5 | 1,59×10 -9 | 70 | 0,0386 |
| 23,0 | 3,33×10 -9 | 72 | 0,0513 |
| 24,0 | 1,73×10 -8 | 74 | 0,0670 |
| 25,0 | 6,66×10 -8 | 76 | 0,0762 |
| 26,0 | 2,53×10 -7 | 77,36** | 0,1013** |
| 26,4 | 4,26×10 -7 | 80 | 0,1371 |
| 30,0 | 3,94×10 -5 | 82 | 0,1697 |
| 37,4 | 1,17×10 -2 | 84 | 0,2079 |
| 40,0 | 6,39×10 -2 | 86 | 0,2520 |
| 43,5 | 1,40×10 -1 | 88 | 0,3028 |
| 49,6 | 3,49 | 90 | 0,3608 |
| 52,0 | 7,59 | 92 | 0,4265 |
| 54,0 | 13,59 | 94 | 0,5006 |
| 56,0 | 23,46 | 96 | 0,5836 |
| 58,0 | 39,19 | 98 | 0,6761 |
| 60,0 | 69,92 | 100 | 0,7788 |
| 62,0 | 98,11 | 102 | 0,8923 |
| 104 | 1,0172 | ||
| 106 | 1,1541 | ||
| 108 | 1,3038 | ||
| 110 | 1,4669 | ||
| 116 | 2,0442 | ||
| 120 | 2,5114 | ||
| 124 | 3,0564 | ||
| 126,2 *** | 3,4000*** | ||
Примечание: * - тройная точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка
Таблица 5 Давление насыщенных паров гелия при криогенных температурах
| Гелий-4 | Гелий-3 | ||
| Т, К | p, гПа | Т, К | p, МПа |
| 0,1 | 5,57×10 -32 | 0,2 | 0,016×10 -3 |
| 0,2 | 10,83×10 -16 | 0,3 | 0,00250 |
| 0,3 | 4,51×10 -10 | 0,4 | 0,03748 |
| 0,4 | 3,59×10 -7 | 0,5 | 0,21225 |
| 0,5 | 21,8×10 -6 | 0,6 | 0,72581 |
| 0,6 | 37,5×10 -5 | 0,7 | 1,84118 |
| 0,7 | 30,38×10 -4 | 0,8 | 3,85567 |
| 0,8 | 15,259×10 -3 | 0,9 | 7,07140 |
| 0,9 | 55,437×10 -3 | 1,0 | 11,788 |
| 1,0 | 0,1599 | 1,1 | 18,298 |
| 1,5 | 4,798 | 1,2 | 26,882 |
| 2,0 | 31,687 | 1,3 | 37,810 |
| 2,177* | 50,36* | 1,4 | 51,350 |
| 2,5 | 103,315 | 1,5 | 67,757 |
| 3,0 | 242,74 | 1,6 | 87,282 |
| 3,5 | 474,42 | 1,8 | 136,675 |
| 4,0 | 821,98 | 2,0 | 201,466 |
| 4,215** | 1013,25** | 2,2 | 283,540 |
| 4,5 | 1310,6 | 2,4 | 384,785 |
| 5,0 | 1971,2 | 2,6 | 507,134 |
| 5,2*** | 2274,7*** | 2,8 | 652,677 |
| 3,0 | 823,806 | ||
| 3,195** | 1013,25** | ||
| 3,3 | 1135,11 | ||
| 3,324 | 1165,22 | ||
Примечание: * - λ-точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка
Таблица 6 Плотность жидких хладагентов азота и гелия при различных криогенных температурах
| Гелий-4 | Азот | ||
| Т, К | ρ, кг/м3 | Т, К | ρ, кг/м3 |
| 1,2 | 145,47 | 63,15 | 868,1 |
| 1,4 | 145,50 | 70 | 839,6 |
| 1,6 | 145,57 | 77,35 | 807,8 |
| 1,8 | 145,72 | 80 | 795,5 |
| 2,0 | 145,99 | 90 | 746,3 |
| 2,177 | 146,2 | 100 | 690,6 |
| 2,2 | 146,1 | 110 | 622,7 |
| 2,4 | 145,3 | 120 | 524,1 |
| 2,6 | 144,2 | 126,25 | 295,2 |
| 2,8 | 142,8 | ||
| 3,0 | 141,1 | ||
| 3,2 | 139,3 | ||
| 3,4 | 137,2 | ||
| 3,6 | 134,8 | ||
| 3,8 | 132,1 | ||
| 4,0 | 129,0 | ||
| 4,215 | 125,4 | ||
| 4,4 | 121,3 | ||
| 4,6 | 116,3 | ||
| 4,8 | 110,1 | ||
| 5,0 | 101,1 | ||
| 5,201 | 69,64 | ||
Температуру жидкого гелия можно также понизить с помощью откачки, причем температура жидкости однозначно соответствует давлению пара (таблица 5). Например, давлению p=16Па соответствует температура Т = 1,0К. Необходимо помнить, что гелий имеет не тройную, а λ-точку (при Т = 2,172К) - переход в сверхтекучую фазу. При наличии оптического криостата переход через λ-точку нетрудно обнаружить визуально по прекращению объемного кипения жидкого гелия. Это связано с резким увеличением теплопроводности жидкости - от 24мВт/(м°К) до 86 кВт/(м°К). При понижении температуры кипения хладагентов (с помощью откачки паров) увеличивается плотность жидкости (см. табл. 6). Этот эффект может быть существен для корректного термометрирования, так как холодный, а значит более тяжелый гелий или азот будут опускаться на дно сосуда. Стоимость жидкого гелия в несколько раз превышает стоимость жидкого азота (примерное соотношение между рыночными ценами жидкого гелия и жидкого азота - 20:1). Поэтому при охлаждении криогенных устройств требуется разумное сочетание использования жидкого азота для предварительного охлаждения и жидкого гелия. Также существенную роль играет использование для охлаждения возвратного потока испарившегося газообразного гелия. На это указывает большая величина отношений энтальпий газа при Т = 300К и Т = 4,2К к теплоте парообразования прим.=70. То есть на нагрев газообразного гелия от 4,2К до 300К потребуется в 70 раз больше теплоты, чем на испарение жидкого гелия.
Таблица 7 Удельная теплоемкость некоторых материалов криогенной техники, Дж/(г°К)
| Т, К | Алюминий | Медь М1 | Латунь | Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т |
| 10 | 0,014 | 0,00122 | 0,0040 | - |
| 20 | 0,010 | 0,00669 | 0,0201 | 0,0113 |
| 40 | 0,0775 | 0,0680 | 0,0795 | 0,0560 |
| 60 | 0,214 | 0,125 | 0,167 | 0,105 |
| 80 | 0,357 | 0,190 | 0,234 | 0,202 |
| 100 | 0,481 | 0,260 | 0,280 | 0,262 |
| 120 | 0,580 | 0,280 | 0,310 | 0,305 |
| 140 | 0,654 | 0,300 | 0,335 | 0,348 |
| 160 | 0,718 | 0,320 | 0,351 | 0,378 |
| 180 | 0,760 | 0,340 | 0,368 | 0,397 |
| 200 | 0,797 | 0,357 | 0,372 | 0,417 |
| 220 | 0,826 | 0,363 | 0,381 | 0,432 |
| 260 | 0,869 | 0,375 | 0,385 | 0,465 |
| 300 | 0,902 | - | 0,385 | - |
Таблица 8 Расход хладагента на охлаждение различных металлов криогенной техники
| Хладагент | Температура металла, К | Расход хладагента, л на 1 кг металла | ||
| Алюминий | Нержавеющая сталь | Медь | ||
| При использовании теплоты парообразования | ||||
| Не | 300 до 4,2 | 64,0 | 30,4 | 28,0 |
| 77 до 4,2 | 3,2 | 1,44 | 2,16 | |
| N2 | 300 до 77 | 1,0 | 0,53 | 0,46 |
| При использовании теплоты парообразования и холода пара | ||||
| Не | 300 до 4.2 | 1,60 | 0,80 | 0,80 |
| 77 до 4,2 | 0,24 | 0,11 | 0,16 | |
| N2 | 300 до 77 | 0,64 | 0,34 | 0,29 |
На практике получается промежуточный результат, причем он зависит как от конструкции криостата, так и от мастерства экспериментатора. Наконец, если криостат предварительно охлаждается жидким азотом, то количество гелия, необходимого для заливки криостата, сокращается примерно в 20 раз. Это объясняется тем, что теплоемкость твердых тел в интересующем нас диапазоне температур изменяется приблизительно, как Т 3 Поэтому при предварительном охлаждении экономится большое количество гелия. Хотя одновременно, конечно же, увеличивается расход жидкого азота. При использовании жидкого азота для промежуточного охлаждения и,вообще, при работе с жидким азотом следует иметь в виду следующее. В процессе наполнения жидким азотом теплого сосуда сначала имеет место бурное кипение, наблюдается разбрызгивание жидкости (в открытых сосудах) или быстрый рост давления в закрытых сосудах. Затем, по мере охлаждения сосуда или объекта, кипение становится менее бурным. На этой стадии заполнения поверхность сосуда отделена от жидкости слоем газа, теплопроводность которого в 4,5 раза меньше теплопроводности жидкости. Если продолжать переливание жидкости, слой газа и поверхность под ним будут постепенно охлаждаться, пока газовая пленка не исчезнет и основная масса жидкости не придет в соприкосновение с поверхностью сосуда. При этом начинается второй период быстрого выкипания. И снова может иметь место разбрызгивание жидкости и быстрое повышение давления. Следует отметить, что белые клубы пара, которые часто можно видеть при переливании жидкого азота или гелия, представляют собой сконденсировавшуюся из атмосферы влагу, а не газообразные азот или гелий, так как последние бесцветны.
