Огненный воздух

Все это привело к тому, что с течением времени химический способ получения кислорода из воздуха был вытеснен другими, более совершенными.

Наиболее просто удается выделить кислород из воздуха в том случае, если воздух предварительно превращен в жидкость.

Жидкий воздух при обычном атмосферном давлении имеет крайне низкую температуру — минус 192 градуса, то-есть на 192 градуса ниже точки замерзания воды. Но температура ожижения отдельных газов, входящих в состав воздуха, не одинакова. Жидкий азот, например, кипит и испаряется при температуре минус 196 градусов, а кислород при минус 183 градуса. Эта разница в 13 градусов и позволяет разделить жидкий воздух на составляющие его газы.

Если налить жидкий воздух в какой-либо сосуд, он энергично закипит и очень быстро испарится. При этом в первые моменты испаряется преимущественно азот, и жидкий воздух все больше обогащается кислородом. Этот процесс и положен в основу устройства специальных аппаратов, применяющихся для разделения воздуха.

В настоящее время жидкий воздух широко используют для промышленного получения кислорода. Однако, чтобы превратить атмосферный воздух в жидкое состояние, его нужно охладить до весьма низкой температуры. Поэтому современный метод получения жидкого воздуха называется методом глубокого охлаждения.

Глубокое охлаждение воздуха ведут в специальных машинах. Но, прежде чем рассказать об их работе, нам необходимо познакомиться с несколькими простейшими физическими явлениями.

НЕМНОГО ФИЗИКИ

Приходилось ли вам когда-нибудь накачивать воздух в камеры велосипеда? Если приходилось, вы, вероятно, обратили внимание, что шины при этом немного нагреваются. Здесь происходит весьма распространенный в природе переход механической энергии в тепловую. Часть работы, которую мы затрачиваем на сжатие воздуха в шине, превращается в теплоту, и температура сжимаемого воздуха повышается.

Попробуйте теперь сделать такой опыт. Возьмите бутыль, наполненную на одну треть водой. Плотно закройте ее горлышко пробкой, сквозь которую пропущена трубка от резиновой груши. Сдавите грушу рукой. При этом воздух в бутыли сожмется и нагреется. Выждите немного и быстро отпустите грушу. Тогда воздух расширится до прежнего объема, и пространство над жидкостью наполнится туманом (рис. 1).

^{Рис. 1. Опыт, позволяющий обнаружить охлаждение газа при его расширении.}

Почему это получилось? При расширении воздух охладился, и часть пара, образовавшегося из воды, превратилась в мельчайшие капельки воды, сконденсировалась.

Но почему же при расширении воздух охлаждается?

Если для сжатия газа затрачивает работу человек или машина, то при расширении работу совершает сам газ за счет заключенной в нем тепловой энергии. Такое превращение тепловой энергии в работу, сопровождаемое понижением температуры, тоже широко распространено в природе.

Расширение любого сжатого газа можно провести двумя путями. Можно, например, взять баллон, наполненный сжатым воздухом, и постепенно выпускать воздух через кран. Какую же работу совершает в этом случае газ? Он преодолевает силы сцепления между молекулами и трение молекул воздуха о стенки крана. Однако таким путем добиться большого охлаждения газа нельзя. Он совершает слишком мало механической работы.

Попробуем теперь заставить тот же расширяющийся воздух двигать поршень небольшого воздушного моторчика. В этом случае газ, совершая уже значительную механическую работу, охладится настолько, что наш моторчик почти мгновенно покроется инеем, а отработанный воздух будет выходить из него в виде дымящейся струи: температура воздуха настолько сильно понизится, что содержащаяся в нем влага сконденсируется, превратится в мельчайшие капельки воды.

Эти два способа расширения сжатого газа — простое расширение и расширение с преодолением значительного внешнего сопротивления — и послужили основой современных промышленных способов ожижения газов, в том числе и воздуха.

ОБ ОДНОМ ПРОСТОМ, НО ВАЖНОМ АППАРАТЕ

Мы уже знаем, что при нормальном атмосферном давлении температура жидкого воздуха исключительно низка. Если попытаться достигнуть такой температуры обычным расширением воздуха, то придется предварительно сжимать его до колоссальных давлений. Это вызовет огромные затраты и вряд ли сможет быть выполнено по техническим причинам.

Но есть довольно простой аппарат, в котором можно сильно охладить газ, не прибегая к большому сжатию. Этот аппарат — теплообменник — необходимая часть любой современной машины, предназначенной для получения глубокого холода.

Простейший теплообменник состоит из двух металлических трубок, вставленных одна в другую (рис. 2).

^{Рис. 2. Так устроен теплообменник — простейший аппарат для охлаждения газов.}