Chemia fizyczna -skraplanie

[terma]

Czy można skroplić wodór przez adiabatyczne rozprężanie w temperaturze pokojowej ?

[Pablo82]

Od strony teoretycznej, tj. dla gazu doskonałego: można. Jeśli zastosujemy przemianę adiabatyczną od ciśnienia początkowego \(\displaystyle{ p_1 = 11230}\) atmosfer do ciśnienia końcowego \(\displaystyle{ p_2 = 1}\) atmosfera, oraz od temperatury początkowej \(\displaystyle{ T_1 = 293 K}\) do temperatury końcowej \(\displaystyle{ T_2 = 20,4 K}\) ( temperatura skraplania wodoru ) – i to po spełnieniu jeszcze dodatkowego warunku na odebranie ciepła skraplania. Osiągnięcie temperatury skraplania nie jest równoznaczne ze skraplaniem jako takim.

Od strony rzeczywistej: nie można w żadnym wypadku!
Na przeszkodzi stoi wiele kwestii:
1. W przemyśle nie używa się ciśnień w takich czy innych procesach przekraczających \(\displaystyle{ 500 bar}\). W laboratoriach badawczych sięgamy \(\displaystyle{ 5000 bar}\).
2. Wodór jak każdy gaz rzeczywisty nie ma liniowych charakterystyk, więc obliczenia teoretyczne – dla rzeczonego zakresu ciśnień – nie wchodzą w rachubę.
3. Wodór ( jak i hel ) w szerokim zakresie temperatur rozprężając się adiabatycznie zwiększa swoją temperaturę. Zaledwie w pobliżu temperatury skraplania, rozprężanie adiabatyczne wiąże się ze spadkiem temperatury.
W technice nawet – znacznie łatwiejsze – skraplanie tlenu, azotu, powietrza czy argonu nie odbywa się w przemianie adiabatycznej, a poprzedzone musi być wstępnym schłodzeniem do temp. minus \(\displaystyle{ 80 \circ C}\). W przypadku wodoru wstępne schłodzenie uzyskuje się przy pomocy ciekłego azotu, czyli do temp. minus \(\displaystyle{ 196 \circ C}\).

p.s. rozprężanie nie w temperaturze pokojowej, a od temperatury pokojowej. Gdybyśmy chcieli jednak uzyskać ciekły wodór w temperaturze pokojowej to nie ma takiej nawet teoretycznej możliwości, gdyż jesteśmy znacznie powyżej temperatury krytycznej, gdzie kończy się para a zaczyna się gaz. Gazy ( doskonałe ) nie dają się skraplać nawet dla ciśnienia dążącego do nieskończoności. Trzeba je obniżyć poniżej temperatury krytycznej, tj. osiągnąć stan pary. Ale właśnie dlatego, że gazy faktycznie występują jako rzeczywiste, prawdopodobnie jest możliwym uzyskanie ciekłego wodoru w temperaturze pokojowej przy ciśnieniu zapewne większym niż \(\displaystyle{ 1 miliona}\) atmosfer.

[Guzzi]

Jeśli mogę dodać, to w technice skraplania gazów wykorzystuje się zjawisko dławienia izentalpowego czyli przepuszczania gazu przez dławik - zwężkę o niewielkiej średnicy lub porowatą przegrodę. To o czym wspomina (ogrzewanie się wodoru i helu w wyniku rozprężania) Pablo82, jest ściśle związane ze współczynnikiem Joule-Thomsona. Łatwo pokazać, że dla gazu doskonałego współczynnik ten jest równy zeru. To czy gaz można skroplić w temperaturze otoczenia, zależy od temperatury inwersji. Jeśli jest ona poniżej temperatury pokojowej, to skroplenie gazu będzie niemożliwe dla warunków, które zadałaś. Jeśli koleżankę interesuje dokładna analiza zjawiska, odsyłam do książek z Termodynamiki Procesowej.

[Pablo82]

Guzzzi - dzięki za wsparcie !
Napisałem to co obejmuje elementarną wiedzę w zakresie Techniki Niskich Temperatur, z którą miałem do czynienia w zakresie zawodowym. To jest także pewna specyficzna wiedza jako podrozdział Termodynamiki będącej podrozdziałem ogólnej Fizyki.
Kwestie techniczne/rzeczywiste są mi znane. Ale "pytająca" miała na myśli (zapewne) stronę teoretyczną.

[terma]

odpowiedz jest mi potrzebna na jutro , wiec dziękuje za wszelkie informacje. Zapytam w woli upewnienia opisane zjawiska przedstawiacie dla gazu doskonałego, a co z wodorem jako gaz rzeczywisty?

[Pablo82]

Ja myślę, że pytający chciał "złapać" każdego studenta, skupiając się na tej wyjątkowej właściwości pomiędzy gazami rzeczywistymi, że wodór i hel w przemianie adiabatycznej zwiększają, a nie zmniejszają ( jak większość znanych nam gazów ) końcową temperaturę procesu ( adiabatycznego rozprężania ).
Odpowiedź winna być: nastąpi wzrost temperatury, a skroplenie nie będzie możliwe.-- 16 wrz 2015, o 23:02 --terma

Przecież odpisałem.
Dla abstrakcyjnie wysokiego ciśnienia taka przemiana ( skroplenie wodoru ) jest możliwa.
Przecież odpisałem:
W warunkach rzeczywistych nie jest to możliwe z powodu wielu przeszkód. Najważniejszą z nich jest wzrost ( a nie obniżanie się ) temperatury adiabatycznego rozprężania wodoru.
Myślę, że nikt nie zapyta Cię o to w jakich warunkach ma to miejsce. Zapytają Cię, czy znasz takie zjawisko !