Огненный воздух

Старый способ получения кислорода путем нагревания селитры уже давно ушел в прошлое. Добывание кислорода превратилось в самостоятельную и очень крупную отрасль промышленности. Во всех странах мира работают специальные кислородные заводы, использующие в качестве сырья безграничные запасы атмосферного воздуха.

КАК ПОЛУЧИТЬ КИСЛОРОД ИЗ ВОЗДУХА

Воздух не является химическим соединением отдельных газов. Теперь известно, что он представляет собою смесь из азота, кислорода и так называемых редких газов: аргона, неона, криптона, ксенона и гелия. Кроме того, воздух содержит ничтожные количества водорода и углекислого газа.

Главная составная часть воздуха — азот. Он занимает больше 3/4 всего объема воздуха. Пятую часть воздуха составляет «огненный воздух» — кислород. А на долю остальных газов приходится около одной сотой части.

Каким же образом удается разделить эти газы и получить из воздуха чистый кислород?

30 лет назад сравнительно широко применялся химический способ получения кислорода. Для этого использовалось соединение металла бария с кислородом — окись бария. Это вещество имеет одно интересное свойство. Нагретая до темно-красного цвета (примерно до 540 градусов) окись бария энергично соединяется с кислородом воздуха, образуя при этом новое более богатое кислородом вещество — перекись бария. Однако при дальнейшем нагревании перекись бария разлагается, выделяет кислород и снова превращается в окись. Кислород при этом улавливается и собирается в особые сосуды — баллоны, а перекись бария охлаждается до 540 градусов, чтобы снова получить способность извлекать кислород из воздуха.

Кислородные установки, работавшие по такому способу, давали несколько кубических метров газа в час. Однако они были дороги, громоздки и неудобны. Кроме того, окись бария при работе постепенно теряла свои поглотительные свойства и ее приходилось часто менять.

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.

По внутренней трубке сжатый воздух идет к особому крану, называемому расширительным вентилем. Выходя из вентиля в камеру, воздух расширяется. При этом его давление падает до атмосферного, а температура понижается на несколько градусов. Затем охлажденный воздух покидает расширительную камеру. Направляясь к выходу из аппарата по наружной трубке теплообменника, он омывает внутреннюю трубку со следующей порцией сжатого воздуха и отдает ему часть своего холода. К моменту расширения новые порции сжатого воздуха, поступающего по внутренней трубке теплообменника, будут уже более холодными, а в камере их температура станет еще ниже.

С каждой минутой работы теплообменника температура расширяющегося воздуха становится все более и более низкой. Наконец, наступает момент, когда часть расширяющегося воздуха превращается в жидкость. Жидкий воздух собирается в нижней части расширительной камеры и может быть слит оттуда через специальный кран. Таким образом, теплообменник, исключительный по своей простоте аппарат, позволяет постепенно, как бы автоматически, понижать температуру расширяющегося воздуха до нужного предела, когда наступает момент превращения его в жидкость.