Жидкий воздух — это воздух , охлажденный до очень низких температур ( криогенных температур ), так что он сконденсировался в бледно-голубую подвижную жидкость. [1] Он хранится в специальных контейнерах, таких как вакуумные колбы , для изоляции его от комнатной температуры . Жидкий воздух может быстро поглощать тепло и возвращаться в газообразное состояние. Его часто используют для конденсации других веществ в жидкость и/или их затвердевания, а также в качестве промышленного источника азота , кислорода , аргона и других инертных газов посредством процесса, называемого разделением воздуха (в промышленности его называют ректификацией воздуха).
Жидкий воздух имеет плотность приблизительно 870 кг/м 3 (870 г/л ; 0,87 г / см 3 ). Плотность данного образца воздуха варьируется в зависимости от состава этого образца (например, влажности и концентрации CO 2 ). Поскольку сухой газообразный воздух содержит приблизительно 78% азота, 21% кислорода и 1% аргона , плотность жидкого воздуха при стандартном составе рассчитывается по процентному содержанию компонентов и их соответствующим жидким плотностям (см. жидкий азот и жидкий кислород ). Хотя воздух содержит следовые количества углекислого газа (около 0,03%), углекислый газ затвердевает из газовой фазы, не проходя через промежуточную жидкую фазу, и, следовательно, не будет присутствовать в жидком воздухе при давлениях менее 5,1 атм (520 кПа ).
Температура кипения воздуха составляет −194,35 °C (78,80 K ; −317,83 °F ), промежуточная между точками кипения жидкого азота и жидкого кислорода . Однако может быть трудно поддерживать стабильную температуру при кипении жидкости, поскольку азот будет выкипать первым, оставляя смесь богатой кислородом и изменяя точку кипения. Это также может происходить в некоторых обстоятельствах из-за того, что жидкий воздух конденсирует кислород из атмосферы. [2] : 36
Жидкий воздух начинает замерзать примерно при 60 К (−213,2 °C; −351,7 °F), осаждая богатое азотом твердое вещество (но со значительным количеством кислорода в твердом растворе). Если кислород предварительно не был размещен в твердом растворе, эвтектика замерзает при 50 К. [3]
Составные части воздуха когда-то были известны как «постоянные газы», поскольку они не могли быть сжижены исключительно путем сжатия при комнатной температуре. Процесс сжатия повысит температуру газа. Это тепло отводится путем охлаждения до температуры окружающей среды в теплообменнике, а затем расширения путем выпуска в камеру. Расширение вызывает понижение температуры, и за счет противоточного теплообмена расширенного воздуха сжатый воздух, поступающий в расширитель, дополнительно охлаждается. При достаточном сжатии, потоке и отводе тепла в конечном итоге образуются капли жидкого воздуха, которые затем могут быть использованы непосредственно для низкотемпературных демонстраций.
Впервые основные компоненты воздуха были сжижены польскими учеными Каролем Ольшевским и Зигмунтом Врублевским в 1883 году.
Устройства для производства жидкого воздуха не имеются в продаже и нелегки в изготовлении.
Наиболее распространенным процессом получения жидкого воздуха является двухколонный цикл Хэмпсона-Линде с использованием эффекта Джоуля-Томсона . Воздух подается под высоким давлением (>75 атм (7600 кПа ; 1100 фунтов на кв. дюйм )) в нижнюю колонну, в которой он разделяется на чистый азот и богатую кислородом жидкость. Богатая жидкость и часть азота подаются в качестве орошения в верхнюю колонну, которая работает при низком давлении (<25 атм (2500 кПа; 370 фунтов на кв. дюйм)), где происходит окончательное разделение на чистый азот и кислород. Сырой аргоновый продукт может быть удален из середины верхней колонны для дальнейшей очистки. [4]
Воздух также можно сжижать с помощью процесса Клода , который сочетает охлаждение за счет эффекта Джоуля-Томсона , изоэнтропического расширения и регенеративного охлаждения. [5]
В производственных процессах жидкий воздух обычно разделяется на составляющие его газы в жидкой или газообразной форме, так как кислород особенно полезен для сварки и резки топливным газом и для медицинского применения, а аргон полезен в качестве защитного газа , исключающего кислород, при газовой дуговой сварке вольфрамовым электродом . Жидкий азот полезен в различных низкотемпературных применениях, будучи инертным при нормальных температурах (в отличие от кислорода) и кипит при 77 К (−196 °C; −321 °F).
В период с 1899 по 1902 год совместная американо-английская компания производила и демонстрировала автомобиль Liquid Air , утверждая, что они могут построить автомобиль, способный проехать сотню миль на жидком воздухе.
2 октября 2012 года Институт инженеров-механиков заявил, что жидкий воздух может использоваться в качестве средства хранения энергии. Это было основано на технологии, разработанной Питером Дирманом, изобретателем гаража в Хартфордшире , Англия, для питания транспортных средств. [6]