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氦氣是怎么被液化的?
來源: 發布時間:2018-02-02336

氦氣液化的基礎 3.1 范德瓦爾斯(J.D.Van de Waals)方程 1866年范德瓦爾斯在“液態和氣態的連續性”的論文中提出了包含氣態和液態的“物態方程”,論證了氣態和液態能以連續性的方式互相轉變,指出所有氣體都存在著臨界溫度,這成為將來所有氣體液化的理論指導。范德瓦爾斯還提出分子不但占有體積而且相互之間有作用力。 1880年范德瓦爾斯又提出了“對應態定律”,用這個定律就可用一個方程描寫所有氣體的行為。在范德瓦爾斯對應態定律的指導下,杜瓦(Sir James Dewar)于1898年液化了氫氣,卡墨林-翁納斯于1908年液化了氦氣,見圖3. 3.2 杜瓦對低溫學的貢獻非常重要,他不但在1898年首先液化了氫氣,是氫液化和固化(對液氫減壓降溫)的開拓者,而且于1892年發明了雙層鍍銀玻璃中間抽真空的低溫容器,成為此類低溫容器的鼻祖,他在低溫科學和技術領域的卓越貢獻是氦氣液化必不可少的重要支持。 3.3 工業技術的進步 在科學上的所有進展都離不開當時工業技術的支撐。在19世紀末和20世紀初那段時期工業和技術已經為科學的發明和發現奠定了物質和技術的基礎。氧氣和空氣的液化、空氣低溫分離、小型液空裝置等不斷面世(見圖5),這不但為氦液化提供了預冷源,更重要的是為氦液化提供了相應的實驗設備。 氦氣當時是通過加熱獨居石(磷鈰鑭礦石)的方法獲得的,每克磷鈰鑭礦石中大約含1cm3-2cm3的氦氣。卡墨林-翁納斯做實驗時液化系統中共用了200L(常溫、常壓下)的氦氣。 4、卡墨林-翁納斯的貢獻 4.1 理論儲備 1882年卡墨林-翁納斯被任命為萊登大學物理系實驗物理的主任并開始籌建低溫物理實驗室,他在與范德瓦爾斯合作進行氣體和液體性質的系統研究中獲得了靈感,領會了物質氣態和液態的本質聯系。 4.2 杰出的科技組織者 卡墨林-翁納斯不但是一位杰出的科學家、也是有開拓眼光的科學技術的管理者,他采取開發政策,1885年在心的雜志(萊登大學物理實驗室通訊)上詳細地公布實驗室全部結果、所有實驗裝置的細節和技術的進展,歡迎世界各國的人士來訪、學習交流和討論。這樣他建立了廣泛的學術聯系,獲得了大量的信息。 4.3 產學研結合 卡墨林-翁納斯是把研究-教育-產業三者之間建立互動的先行者。1890年他建立了萊登儀器工學校,對學員進行儀表制造和玻璃裝置燒制的培訓,完成學業后有的在他的實驗室作技工,有的自立組建公司,為四言詩提供了所需的各種設備和玻璃容器。 4.4 建立設備 卡墨林-翁納斯領導的實驗室為了滿足低溫研究的需要,1892年建造了每小時14L的空氣液化裝置,在1906年具有了每小時液化4L的氫氣的能力,并用減壓液氫的方法獲得了14K的低溫,為液化氦打下了堅實的基礎。卡墨林-翁納斯在液化氦氣的競爭中脫穎而出,后來居上在1908年7月10日獲得了世界上第1滴液氦,見圖6.連同1911年他第一個發現汞的超導電性,卡墨林-翁納斯開創了液氦溫區和超導的新領域。 萊登實驗室的第一臺氦液化器,這是最簡單的高壓節流制冷循環。C是壓縮機,1、2、3分別是3個不同溫度級的逆流式熱交換器。高壓氦氣經過熱交換器1降溫后再被減壓的液氫冷卻,然后在熱交換器2中繼續降溫后再被減壓的液氫冷卻,再在熱交換器3中進一步降溫,經過節流閥完成等焓膨脹,進入氦的氣液兩相區,氣液分離后獲得液氦,其余的氣氦從3個熱交換器的低壓路流出、與高壓氦氣進行熱量交換后,回到壓縮機繼續循環,產量為每小時250mL。 

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