【种花家务·物理】2-7-14液态气体的应用『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。】
§7-14液态气体的应用
【01】液态气体在工业技术上和科学研究上有着广泛的应用。如用液态气体获得低温以及用液态气体获得真空等。
【02】下面我们就来介绍一下液态空气的用途:
【03】(1)在工业上常常应用液化空气法来分离它的组成部分。因为空气是由氮、氧、氖、氩等气体组成的,所以液态空气也是这几种液体的混合物。但是这几种液体的递点是不同的,在一个大气压下,氧的沸点是-183°C,氩是-185℃,是-196℃,氖是-245℃ 。当液态空气汽化时,首先蒸发的是沸点较低的氖、氮,其次是氩、氧。用这种方法就可以分离出各种气体,而这些气体的用处却很多,如工业上可以用氮来制造氨;在白炽灯中需要充入氩、氖等惰性气体;当氧和乙炔混合燃烧时,可以得到高温的乙炔焰,用来焊接和裁切金属(图7·29);把氧直接输入冶金工业上所用的鼓风炉中,可以提高冶金效率;而氧在医疗上、高空飞行中和海底工作中,也有着极其重要的应用。

【04】此外,液态氧还可以应用在爆炸工程方面。用它和木屑、煤烟、茶以及其他容易氧化的物质混合在一起,可以制成威力很大的爆炸物。在开矿或建筑公路时,利用这种炸药是比较方便和安全的。因为这种爆炸物里的液态氧蒸发得很快,当它蒸发后炸药就不能再发生爆炸,因此在开山洞时,如果由于某种原因炸药没有即时爆炸,我们就可以在相隔一段时间后,接近炮眼去检查一下没有爆炸的原因,这时已没有被炸着的危险了。
【05】(2)气体液化的方法还可以用来提纯某些气体,通常在工业上,用电解食盐溶液的方法所得到的氯气,纯度只有 95% 左右,这对许多使用氯气的化学工业来说,还是不够理想的。于是我们就可以用加大压强、降低温度的方法,使氯气液化,这时虽然氯气已经液化成液态了,而杂质却仍可能是气态,这样氯和杂质就分开了。用这种方法可以得到纯度达到 99% 以上的液态氯。
【06】同时,由于液态气体的体积比气态时的体积要小得多,这样就能够将液态气体盛在钢筒里,以便运输。
【07】(3)应用液化气体的方法来获得真空。在现代工业技术上,广泛地应用着各种真空仪器:例如白炽灯、日光灯、霓虹灯、电子管、光电管等等,这些真空仪器都是将玻璃容器或金属容器中的空气全部抽出,然后再充进惰性气体,或其他气体。那么怎样来抽出容器里的空气呢?过去我们曾经用活塞式抽气机、回转抽气机来抽取空气,但是这些抽气机所能够达到的真空程度离现代科学技术上的要求还很远。因此近来就经常采用液化气体的方法来获得高度的真空。例如:当我们把一个充有空气的容器放在液态氢里面后,因为氢的沸点比空气的沸点低得多,所以容器里的空气就要全部液化。这样就可以获得压强只有百万分之几毫米高水银柱的真空。所以利用液态气体是掌握真空技术主要途径之一。
【08】(4)应用液态气体汽化获得低温。在§7-13中我们已经讲过,液体汽化时能使周围温度降低,从而使某些难以液化的气体获得低温而液化。如果再让这些已经液化的气体在低压下汽化,那么周围的温度就必然降得更低。科学家曾经使液态氨在很低的压强下汽化,结果使温度降到 0.9K(-272.1°C)。最近几年,用改进了的技术设备可以得到 0.71K,以至 0.1K 以下的温度。所以说利用液态气体的汽化可以获得低温。
【09】物质在低温下的性质,与在一般温度下相比,发生显著的变化,由于低温的获得为科学研究工作开辟了新的领域,从而有可能进行低温下物质特殊性质的研究。例如:金属的电阻在极低温度下会完全消失,出现了非常奇异的“超导电性”;又如温度低于-271.81°C 的液态氦在流经水平放置的毛细管时,出现了几乎完全不需要两端压强差的“超流动性”现象。此外,在极低的温度下,物质的“机械性能”也会发生显著的改变。例如,铅会象钢那样,成为具有弹性的物质,橡皮却变成了很脆的物质。对于物质在低温下的各种性质的研究,使我们能够进一步认识物质的结构和各种现象的本质。所以低温物理学是科学研究的一个重要的项目。
习题7-14
1、什么叫做临界温度?当温度为 30°C 时,只用增加压强的方法能不能使二氧化碳液化?为什么?
2、在临界温度时,物质的汽化热等于什么?为什么?
3、在临界温度时,汽密度和液密度有无区别?
4、使气体液化的基本原理是什么?常用哪种方法使气体液化?
5、在极低的温度下,物质会出现哪些奇异的特性?
6、液态气体在科学和技术上有哪些用途?