2.6
Kritický stav a zkapalňování reálných plynů
Reálný plyn je na rozdíl od ideálního plynu za určitých podmínek zkapalnitelný. K vysvětlení využijme představu plynu uzavřeného do válce a stlačovaného pístem. Bude-li pokus prováděn při konstantní teplotě, můžeme jej zaznamenat v souřadnicovém systému p – V graficky jako izotermu. Na obrázku č. 6 je nakreslena jedna taková izoterma. Šipka znázorňuje směr stlačování objemu plynu. V bodě a je původní nestlačený plyn. Při stlačování téměř do bodu b dochází ke zmenšování objemu plynu a vzrůstu tlaku. V bodě b se molekuly spojují do větších celků a vznikají mikrokapičky. Plyn kondenzuje. Tlak, při kterém ke kondenzaci dochází, nazýváme kondenzační. Dalším stlačením se již tlak nezvyšuje a zkapalňování pokračuje. Změna objemu se vyrovná přeměnou odpovídajícího množství plynu na kapalinu – viz bod c. V bodě d je už všechen plyn zkapalněn. Po ukončení kondenzace vyvolá i nepatrné zmenšení objemu velké zvýšení tlaku, neboť kapaliny jsou téměř nestlačitelné.
+
6. Izoterma znázorňující zkapalňování plynu
Obr. 6. Izoterma znázorňující zkapalňování plynu
Na obrázku č. 7 je vyznačeno několik izoterm reálného plynu. Oblast rovných úseků je v grafu vybarvena modře a nazývá se oblast zkapalňování. Nejvyšší bod oblasti je tzv. kritický bod. Jeho polohu lze označit pomocí hodnot Tk, pk, Vk, tj. kritická teplota, kritický tlak, kritický objem.
+
7. Izotermy zkapalňování plynu
Obr. 7. Izotermy zkapalňování plynu
Poznámka
V oblasti zkapalňování jsou přímky, které odpovídají naměřeným hodnotám. Čárkovaně vyznačené vlnovky zobrazují hodnoty získané výpočtem z van der Waalsovy rovnice.
Na grafu č. 7 lze vidět izotermu plynu (pro teplotu T4), která neprochází oblastí zkapalnění. Plyn nelze zkapalnit.
Z uvedených poznatků vyplývá, že pro zkapalnění musí být splněny následující podmínky:
  1. Plyn musí být ochlazen minimálně na kritickou teplotu Tk; raději však ještě o něco nižší.
  1. Je nutno zvolit kritický tlak pk. Je-li ochlazen plyn na teplotu menší, než je kritická teplota, stačí použít nižší tlak.
Podle hodnoty Tk se plyny dělí na:
  1. snadno zkapalnitelné (CO2, NH3, SO2, Cl2, ...), jejichž Tk je vyšší než běžná teplota, takže je stačí jen stlačit,
  1. nesnadno zkapalnitelné (He, Ne, Ar, N2, O2, ...), jejichž kritické teploty jsou nízké.
Tabulka 2. Kritické hodnoty vybraných plynů
plyn
Tk [K]
pk [MPa]
Vk [cm3 ∙ mol-1]
CO2
304,17
7,386
94,3
NH3
405,6
11,350
72,0
He
5,19
0,227
57,8
N2
126,2
3,390
59,0
O2
154,58
5,043
73,4
Pro zkapalnění plynů s nízkými kritickými teplotami se využívá Joulův–Thomsonův jev [čti: džaulův–tomsnův].
Stlačený plyn proudí škrticím ventilem do prostoru s vyčerpaným vzduchem, a tudíž velmi nízkým tlakem. Dojde k expanzi plynu. Byla-li teplota stlačeného plynu na začátku nižší než tzv. inverzní teplota, pak dojde k ochlazení plynu. Pokud byla teplota vyšší než inverzní, pak se plyn ohřeje.
+
8. Aparatura ke zkapalňování plynu (1 – kompresor, 2 – chladič, 3 – stlačený plyn, 4 – výměník tepla, 5 – škrticí ventil, 6 – zkapalnělý plyn, 7 – expandovaný plyn)
Obr. 8. Aparatura ke zkapalňování plynu (1 – kompresor, 2 – chladič, 3 – stlačený plyn, 4 – výměník tepla, 5 – škrticí ventil, 6 – zkapalnělý plyn, 7 – expandovaný plyn)
Inverzní teplota se vypočítá s použitím van der Waalsových konstant podle vzorce:
Ti=2aRb
Většina plynů se za běžné teploty 20 °C bude ochlazovat. Naopak helium a vodík mají velmi nízké inverzní teploty, a proto se za běžné teploty budou ohřívat. Zkapalněné helium je snazší získat destilací zkapalněného vzduchu.