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    氦气是怎么被液化的?

    2011-9-21 20:56:43

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    氦气液化的基础
    3.1 范德瓦尔斯(J.D.Van de Waals)方程 
    1866年范德瓦尔斯在“液态和气态的连续性”的论文中提出了包含气态和液态的“物态方程”,论证了气态和液态能以连续性的方式互相转变,指出所有气体都存在着临界温度,这成为将来所有气体液化的理论指导。范德瓦尔斯还提出分子不但占有体积而且相互之间有作用力。
    1880年范德瓦尔斯又提出了“对应态定律”,用这个定律就可用一个方程描写所有气体的行为。在范德瓦尔斯对应态定律的指导下,杜瓦(Sir James Dewar)于1898年液化了氢气,卡墨林-翁纳斯于1908年液化了氦气,见图3.
    3.2 杜瓦对低温学的贡献非常重要,他不但在1898年首先液化了氢气,是氢液化和固化(对液氢减压降温)的开拓者,而且于1892年发明了双层镀银玻璃中间抽真空的低温容器,成为此类低温容器的鼻祖,他在低温科学和技术领域的卓越贡献是氦气液化必不可少的重要支持。
    3.3 工业技术的进步
    在科学上的所有进展都离不开当时工业技术的支撑。在19世纪末和20世纪初那段时期工业和技术已经为科学的发明和发现奠定了物质和技术的基础。氧气和空气的液化、空气低温分离、小型液空装置等不断面世(见图5),这不但为氦液化提供了预冷源,更重要的是为氦液化提供了相应的实验设备。
    氦气当时是通过加热独居石(磷铈镧矿石)的方法获得的,每克磷铈镧矿石中大约含1cm3-2cm3的氦气。卡墨林-翁纳斯做实验时液化系统中共用了200L(常温、常压下)的氦气。
    4、卡墨林-翁纳斯的贡献
    4.1 理论储备
    1882年卡墨林-翁纳斯被任命为莱登大学物理系实验物理的主任并开始筹建低温物理实验室,他在与范德瓦尔斯合作进行气体和液体性质的系统研究中获得了灵感,领会了物质气态和液态的本质联系。
    4.2 杰出的科技组织者
    卡墨林-翁纳斯不但是一位杰出的科学家、也是有开拓眼光的科学技术的管理者,他采取开发政策,1885年在心的杂志(莱登大学物理实验室通讯)上详细地公布实验室全部结果、所有实验装置的细节和技术的进展,欢迎世界各国的人士来访、学习交流和讨论。这样他建立了广泛的学术联系,获得了大量的信息。
    4.3 产学研结合
    卡墨林-翁纳斯是把研究-教育-产业三者之间建立互动的先行者。1890年他建立了莱登仪器工学校,对学员进行仪表制造和玻璃装置烧制的培训,完成学业后有的在他的实验室作技工,有的自立组建公司,为四言诗提供了所需的各种设备和玻璃容器。
    4.4 建立设备
    卡墨林-翁纳斯领导的实验室为了满足低温研究的需要,1892年建造了每小时14L的空气液化装置,在1906年具有了每小时液化4L的氢气的能力,并用减压液氢的方法获得了14K的低温,为液化氦打下了坚实的基础。卡墨林-翁纳斯在液化氦气的竞争中脱颖而出,后来居上在1908年7月10日获得了世界上第1滴液氦,见图6.连同1911年他第一个发现汞的超导电性,卡墨林-翁纳斯开创了液氦温区和超导的新领域。
    莱登实验室的第一台氦液化器,这是最简单的高压节流制冷循环。C是压缩机,1、2、3分别是3个不同温度级的逆流式热交换器。高压氦气经过热交换器1降温后再被减压的液氢冷却,然后在热交换器2中继续降温后再被减压的液氢冷却,再在热交换器3中进一步降温,经过节流阀完成等焓膨胀,进入氦的气液两相区,气液分离后获得液氦,其余的气氦从3个热交换器的低压路流出、与高压氦气进行热量交换后,回到压缩机继续循环,产量为每小时250mL。
     
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