【种花家务·物理】2-7-13气体的液化『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第七章物态的变化

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】  

§7-13气体的液化

【01】从§7-12的内容中，我们知道了要使气体液化首先要获得低温，只有当气体的温度下降到临界温度以下时才能用增大压强的方法使它液化。经过科学家的努力，找到了获得低温的方法。在 1908 年终于液化了最难液化的氦。而在 1926 年竟然还获得固态的氦。

【02】究竟怎样才能取得使气体液化的低温呢？我们知道临界温度较高的气体只要稍微压缩就能够使它液化，同时放出热量，而当压强减小时，它又可能汽化，同时吸收热量。所以当液体剧烈汽化时，可以使周围的物体冷却，我们就是利用这种方法来获得低温的。为了要说清楚冷却的原理，我们先从冷藏库、冷冻装置等致冷机获得低温的方法讲起。

【03】图7·27为一冷冻装置的构造图。它由蒸发器 T，压缩器 P 和冷凝器 C 三个主要部分组成。压缩器把蒸发器螺旋管中的气体氨用高压压入冷凝器的螺旋管中，由于在压缩过程中，对氨做功，所以气体氨的温度要升高。在冷凝器螺旋管外面有流通的冷水，它们吸收了氨的热量后使被压缩的气体氨的温度降低，凝结成液体。液体氨由活门 V 流入蒸发器的螺旋管中，冷凝器中压强约为 12 公斤/厘米²，而蒸发器中大约只有 3 公斤/厘米²，所以液体的氨进入蒸发器中后便很快地汽化，并且需要吸收热量以使周围的物体冷却。如图所示，蒸发螺旋管的下面部分就是冷冻箱，它的温度可以低到－10°C 左右，因此可以用来制造冰和作为冷藏之用。

【04】用类似的方法可以使临界温度较低的气体液化。例如，我们让液体二氧化硫在一个容器中汽化，而在这个容器中又装有一个螺旋管，螺旋管中通过处于高压下的二氧化碳。这样由于二氧化硫汽化时吸热所获得的低温可以用来使二氧化碳液化。再让液化了的二氧化碳在另一个容器中汽化，在那个容器中也有螺旋管，其中通过的是高压的氧。由于管外液体二氧化碳的剧烈汽化，使温度降低到－130°C 左右，这个温度比氧的临界温度还要低（氧的临界温度为－118.8°C），于是，就可以使处于高压下的氧液化。同样，还可以利用液态氧使处在 190 大气压下的氢液化。

【05】除了上述的方法以外，科学家们通过研究还知道，当气体在真空或压强很低的空间里迅速膨胀时，温度会急剧地降低因为当气体膨胀时，由于分子间的距离要增加，因此分子间的势能也要相应地增加，根据能量守恒定律知道，当气体的内能保持不变的时候，势能的增加必定是以动能的减少为代价的，所以分子的平均动能要减少，它的温度要相应地降低。利用这一原理，也可以获得低温，使气体液化。

【06】图7·28所示的是空气液化器的示意图。它的构造基本上与致冷机相同，不过用膨胀器代替了蒸发器。先让压缩器 P 把空气压入冷凝器的螺旋管 C 中，因为 C 管外面有冷水流过，就使 C 管内的压缩空气（大约有100大气压）的温度降低。经过初步降温的压缩空气再流进膨胀管 T 并从管口喷出，由于空气体积急剧地膨胀，温度可以降低很多。膨胀后处于低温下的空气由 T 管的外面向上流动时，又可以使还在 T 管中的空气预先冷却。因为一次膨胀还不能使温度降到空气的临界温度以下，所以膨胀后的空气必须利用压缩器再作连续的循环操作。结果使在 T 管中流动的空气逐渐变冷，等冷却到某一程度时，由管口喷出的气体温度降到空气的临界温度以下，于是空气就可以凝结成液点而流入瓶中。