Was ist Flüssigerdgas (LNG)? Verflüssigung von Gasen

VERFLÜSSIGUNG VON GASEN- entstehen, indem man sie unter den kritischen Wert abkühlt. Temperaturen T k(cm. Kritischer Punkt).MIT. B. mit kritisch Durch die Verdichtung in Kompressoren und die anschließende Kondensation in mit Wasser oder Kältemittelsole gekühlten Wärmetauschern wird eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur (C1 2, NH 3, CO 2 etc.) erzeugt. Für S. g. mit kritisch. Bei einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur werden sie mithilfe geeigneter Kältekreisläufe (Kryogenkreisläufe) vorgekühlt.

Der ideale Fahrradzyklus ist in Abb. dargestellt. 1: 1 - 2 - isobar Gaskühlung je nach Temperatur T 0 bis zur Temperatur T 2 der Beginn der Kondensation ( T 2 unten T k), Isotherme 2-0 - Gaskondensation; 1-3 - isotherm Gaskompression, 3-0 - adiabatisch seine Erweiterung. Bereich darunter 1 -2 -0 entspricht der beim Erhitzen der Fläche im Inneren entzogenen Wärme 1 - 2 - 0- 3 - Mindest. arbeiten Eine Minute S. g.: wo S G, S F - Entropie, N G, N J- Enthalpie von Gas bzw. Flüssigkeit.

Reis. 1. T – S-Diagramm eines idealen Gasverflüssigungszyklus (p – Druck, H – Enthalpie).

Die für einen idealen Kohlenstoffkreislauf erforderlichen Drücke betragen Hunderttausende atm, sodass der Kreislauf in der Praxis nicht realisierbar ist. Die tatsächlichen Energiekosten während S. g. übersteigen A min normalerweise um das 5- bis 10-fache oder mehr.

Modern S.-Gas-Methoden basieren auf der Kühlung vorkomprimierten Gases Joule-Thomson-Effekt(d. h. beim Drosseln – Gas durch eine poröse Trennwand, einen Hahn, ein Ventil leiten), isentrop. Expansion von Gas mit externen Arbeiten im Expander und beim Ablassen von Gas aus dem DC-Behälter. Volumen (Auspuff). Der Drosselungsprozess ist irreversibel und verläuft mit einer Entropiezunahme gemäß dem Gesetz: N= konst. Die Inversionstemperatur aller Gase (die Temperatur, bei der das Positive negativ wird und das Gas sich zu erwärmen beginnt) mit Ausnahme von H2, He und Ne liegt Hunderte von Grad höher als die Umgebungstemperatur und kann daher gekühlt und verflüssigt werden durch einfache Drosselung. Die Inversionstemperaturen von H2, He und Ne liegen deutlich unter den Raumtemperaturen, daher werden sie vorgekühlt (H2 und Ne – mit flüssigem Stickstoff, He – mit flüssigem Wasserstoff).

Thermodynamisch max. Die Methode von S. mit einem Expander ist effektiv; diese Methode in der Industrie Installationen sind einfach. Bei Kolbenexpandern bewegt komprimiertes Gas den Kolben und wird gekühlt; bei Turboexpandern dreht es die Turbine. In den meisten Fällen erfolgt nach dem Expander eine zusätzliche Kühlung des Gases durch Drosselung. Gasexpansionsprozess in einem Expander: S= const.

Reis. 2. Schema der Gasverflüssigungsanlage (a) und ihr T-S-Diagramm (b); K – Kompressor, D – Expander, T/o – Wärmetauscher, Dr – Drossel, Sat – Sammlung.

In Abb. 2 zeigt ein typisches Installationsdiagramm für S.G. ( A)Und T - S-Diagramm ( B)thermodynamisch Prozesse darin. Nach der Komprimierung im Kompressor ( 1-2 ) und vor- Kühlung im Wärmetauscher ( 2-3 ) Der Druckgasstrom wird in zwei Teile geteilt: Durchfluss M wird zum Expander geleitet, wo es beim Expandieren Arbeit erzeugt und abkühlt ( 3-7 ) und kühlt den zweiten Teil des Druckgases 1 - M, das dann gedrosselt und verflüssigt wird. Theoretisch sollte die Gasexpansion im Expander konstant erfolgen. Entropie ( 3-6) , jedoch als Folge der Zersetzung. Die Verluste gehen wirklich weiter 3-7 . In großen S. g.-Installationen werden mehrere verwendet. Expander, die in verschiedenen Temperaturbereichen arbeiten. Spezialist. Mit dem Gerät können Sie Flüssiggas direkt im Expander selbst erzeugen und auf eine Drosselstufe verzichten. Um kleine Gasmengen zu verflüssigen, werden kryogene Gasmaschinen eingesetzt, die eine Kombination aus einem Kompressor, einem Wärmetauscher und einem Expander darstellen. Mit Hilfe solcher Maschinen werden Temperaturen von bis zu 10 K erreicht, also niedrig genug, um alle Gase außer Helium zu verflüssigen (zur Verflüssigung von Helium wird eine zusätzliche Drosselstufe hinzugefügt). In einem kleinen Volumen kann Kohlendioxid durch Kühlen mit einer verdampfenden Flüssigkeit mit einem niedrigeren (als dem resultierenden) Siedepunkt erzeugt werden. So können Sie mit flüssigem Stickstoff Sauerstoff, Argon, Methan und andere Gase verflüssigen und mit flüssigem Wasserstoff Neon. Dieses Verfahren ist energetisch ungünstig und wird nur im Labor eingesetzt. Bedingungen.

Ausgesetzt Verflüssigung von Gasen müssen von Verunreinigungen befreit werden, deren Gefriertemperatur höher ist als im Verflüssigungszyklus eines bestimmten Gases und die im ausgehärteten Zustand die Wärmetauscherausrüstung verstopfen können. Die Verflüssigung von Gasen (N, O 2, H 2, Erdgas usw.) ist eine große chemische Industrie. prom-sti.

Zündete.: Handbuch der physikalischen und technischen Grundlagen der Kryotechnik, hrsg. M. P. Malkova, 3. Aufl., M., 1985; Fradkov A. B., Was ist Kryotechnik, M., 1991. A. B. Fradkov.

Damit eine Gasverflüssigung stattfinden kann, müssen die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen ausreichen, um sie zu einer Flüssigkeit zu binden. Anziehungskräfte werden erst bei kleinen Abständen zwischen Molekülen von Bedeutung. Begünstigt wird dieser Zustand durch Bluthochdruck. Die Wirkung anziehender Kräfte wird durch die Bewegung der Moleküle verhindert, die umso schneller (mit größerer kinetischer Energie) erfolgt, je höher die Temperatur ist. Daher wird die Verflüssigung von Gasen durch eine Temperaturabsenkung begünstigt.

Je höher die Temperatur, desto schwieriger ist es, Gas zu verflüssigen., da bei höherer Temperatur ein höherer Druck erforderlich ist, um das Gas zu verflüssigen (Tabelle 3.4). Ab einer bestimmten Temperatur kann Gas überhaupt nicht mehr verflüssigt werden. Diese Temperatur wird als kritisch bezeichnet und mit Tc bezeichnet. Der Mindestdruck, der erforderlich ist, um ein Gas bei seiner kritischen Temperatur zu verflüssigen, wird als kritischer Druck bezeichnet und mit pc bezeichnet. Das Volumen, das ein Mol Gas bei seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck einnimmt, wird als kritisches Volumen bezeichnet und mit Vc bezeichnet. Die Werte von Tc, pc und Vc für jedes Gas werden als seine kritischen Konstanten bezeichnet. In der Tabelle Tabelle 3.5 zeigt die Werte kritischer Konstanten für einige Gase.

Tabelle 3.4. Drücke, die erforderlich sind, um CO2 bei unterschiedlichen Temperaturen zu verflüssigen

Im Jahr 1863 erhielt Thomas Andrews durch die Untersuchung der Beziehung zwischen Druck und Volumen einer bestimmten Masse Kohlendioxid bei verschiedenen Temperaturen eine Reihe von Isothermen (Diagramme der Beziehung zwischen Druck und Volumen bei einer konstanten Temperatur), die sogenannten Andrews-Isothermen (Abb. 3.11). Die Isotherme für CO2 bei 321 K zeigt, dass sich dieses Gas bei dieser Temperatur unter keinem Druck oder Volumen verflüssigt. Tatsache ist, dass die Temperatur von 321 K höher ist als die kritische Temperatur für CO2, die 304 K entspricht. Die der kritischen Temperatur entsprechende Isotherme wird als kritische Isotherme bezeichnet. Punkt P auf dieser Isotherme entspricht dem Gas bei seinen kritischen Werten von Temperatur, Druck und Volumen. Unter den diesem Punkt entsprechenden Bedingungen befindet sich das Gas in seinem kritischen Zustand. In Abb. Abbildung 3.11 zeigt zwei CO2-Isothermen bei Temperaturen unterhalb des kritischen Werts. Betrachten wir diejenige, die einer Temperatur von 286 K entspricht.

Reis. 3.11. Andrews-Isothermen für CO2.

Die Bewegung entlang dieser Isotherme von Punkt A nach Punkt B entspricht einer Gaskompression bei steigendem Druck. Zwischen den Punkten B und C kommt es zu einer großen Volumenänderung, die nicht mit einer Druckänderung einhergeht. Dieser Vorgang entspricht der Verflüssigung von Gas bei einer bestimmten Temperatur. Zwischen den Punkten C und D führt ein Druckanstieg zu einer kleinen Volumenänderung. Die Kompressibilität von Flüssigkeiten ist im Vergleich zur Kompressibilität von Gasen sehr gering.

GAS. Gaszustand ist ein Materiezustand, in dem die Kräfte, die zwischen Molekülen wirken, extrem gering sind und die Größe der Moleküle selbst im Vergleich zu den Zwischenräumen zwischen ihnen vernachlässigbar ist. Zwischen Kollisionen bewegen sich Gasmoleküle geradlinig, gleichmäßig und völlig zufällig. Beim Erhitzen und Verdünnen tendieren alle Gase zum Grenzzustand des sogenannten Ideals, oder perfektes Gas.

IN ideales Gas Die intermolekularen Kräfte sind Null und das Volumen der Moleküle selbst ist im Vergleich zum Volumen des intermolekularen Raums unendlich klein. Der Zustand eines idealen Gases ist der verdünnte Grenzzustand der Materie, zu dem alle Körper der Natur bei ausreichend hohen Temperaturen und ausreichend niedrigen Drücken tendieren; Darin besteht die besondere Bedeutung des Zustands eines idealen Gases, das auch am einfachsten zu untersuchen und daher am besten untersucht ist. Materie, die den interplanetaren Raum in extremer Verdünnung ausfüllt, kann als im Zustand eines idealen Gases betrachtet werden.

Der Gasdruck (p) wird durch den Aufprall von Gasmolekülen auf die Gefäßwände bestimmt. Nach der kinetischen Theorie ist die durchschnittliche kinetische Energie von Gasmolekülen proportional zur absoluten Temperatur. In der kinetischen Theorie wird gezeigt, dass ein ideales Gas strikt der folgenden Zustandsgleichung folgt, die drei Zustandsparameter in Beziehung setzt: v, T und p, von denen zwei unabhängig sind und der dritte eine Funktion von ihnen ist:

Diese Gleichung ( Clapeyron-Gleichung) enthält in expliziter Form die drei Grundgesetze des Zustands eines idealen Gases:

1) Boyle-Mariotte-Gesetz. Bei einer konstanten Temperatur (T) ist das Produkt (p∙v) für eine gegebene Menge idealen Gases ein konstanter Wert (p∙v = Const), d. h. das Volumen eines idealen Gases (v) ist umgekehrt proportional zu seinem Druck (p): Ideale Gasisothermen im Koordinatensystem (v, p) sind gleichseitige Hyperbeln, deren Asymptoten die Koordinatenachsen sind.

2) . Bei konstantem (p) nimmt das Volumen einer gegebenen Menge idealen Gases linear mit der Temperatur zu:

(v 0 – Volumen bei Temperatur = 0°C, α – Ausdehnungskoeffizient eines idealen Gases). Die Änderung von (p) mit der Temperatur bei v = Const folgt demselben Gesetz:

(α) in Gleichung (3) ist der Druckkoeffizient, numerisch gleich dem Ausdehnungskoeffizienten (α) in Gleichung (2) = 1/273,1 = 0,00367 – ein Wert, der von der Art des Gases unabhängig und für alle idealen Gase gleich ist ; p 0 - Druck bei Temperatur = 0°C. Durch Eingabe der absoluten Temperatur statt der Temperatur

wir finden anstelle der Gleichungen (2) und (3):

3) Avogadros Gesetz. Aus Gleichung (1) ist das klar Gaskonstante R = p 0 ∙v 0 /273,1 ist proportional zum Normalvolumen v 0, das von einer bestimmten Gasmenge unter normalen Bedingungen eingenommen wird (p 0 = 1 Atm und t 0 = 0°C = 273,1° K), d. h. umgekehrt proportional zur Gasdichte unter Normalbedingungen D 0. Nach dem Avogadro-Gesetz enthalten alle idealen Gase bei gleichem (p) und (T) gleiche Volumina (zum Beispiel gleich v 0) einer gleichen Anzahl von Molekülen. Umgekehrt: Eine gleiche Anzahl von Molekülen (zum Beispiel 1 Mol = 1 Gramm Molekül) eines beliebigen Gases im Idealzustand nimmt unter normalen Bedingungen das gleiche Volumen v 0 ein, unabhängig von der Art des Gases (1 Mol eines beliebigen Stoffes enthält N 0 = 6,06∙10 23 einzelne Moleküle – Avogadro-Zahl). Das wurde mit großer Genauigkeit festgestellt normales Molvolumen eines idealen Gases (V 0) m ist gleich 22,412 Liter/mol. Von hier aus können wir die Anzahl der Moleküle in 1 cm 3 eines beliebigen idealen Gases unter normalen Bedingungen berechnen: n0 = 6,06∙10 23 /10 3 ∙22,416 = 2,705∙10 19 cm 3 (Loshmit-Zahl). Unter Verwendung von Gleichung (1) wird das Avogadro-Gesetz dadurch ausgedrückt, dass die Gaskonstante R, wenn sie pro 1 Mol eines beliebigen Gases berechnet wird, unabhängig von der Art des Gases gleich ist. Das. R ist eine universelle Konstante mit der Dimension [ Arbeit]/[Gewicht][Temperatur] und drückt die Expansionsarbeit von 1 Mol eines idealen Gases aus, wenn es bei p = Const um 1°C erhitzt wird:

Dies ist die physikalische Bedeutung von R.

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In anderen Einheiten sind die Werte von R (pro 1 Mol):

Zusätzlich zu den drei besprochenen Gesetzen ergeben sich aus Gleichung (1) des Zustands eines idealen Gases in Verbindung mit den beiden Prinzipien der Thermodynamik folgende Grundgesetze:

4) Joulesches Gesetz. Eine der allgemeinen Gleichungen der Thermodynamik

ergibt zusammen mit Gleichung (1) folgende Bedingungen für die innere Energie U eines idealen Gases:

d. h. U eines idealen Gases ist nur eine Funktion von T (Joulesches Gesetz); Bei der isothermen Expansion eines idealen Gases wird die gesamte aufgenommene Wärme in äußere Arbeit umgewandelt, und bei der isothermen Kompression wird die gesamte verbrauchte Arbeit in freigesetzte Wärme umgewandelt.

5) Die Wärmekapazitäten eines idealen Gases bei konstantem Volumen c v und konstantem Druck c p sind allein Funktionen von T. Die Thermodynamik liefert allgemeine Gleichungen

aber für ein ideales Gas hängen (p) und (v) gemäß dem Gay-Lussac-Gesetz (4) und (5) linear von (T) ab; daher werden die rechten Seiten der Gleichungen (9) zu 0 und

Die Wärmekapazitäten c p und c v sind nicht unabhängig voneinander, sondern hängen für ein ideales Gas durch eine einfache Bedingung zusammen:

ergibt sich aus den Gasgesetzen (R hat die Dimension der Wärmekapazität), d. h. wenn c p und c v auf 1 Mol eines idealen Gases bezogen sind, dann unterscheiden sie sich um 2 (genauer um 1,986) - cal/mol voneinander ∙Grad.

In der kinetischen Theorie wird nach dem Prinzip der gleichmäßigen Energieverteilung angenommen, dass für jeden Freiheitsgrad eines Gasmoleküls eine Energie k 0 ∙T/2 vorhanden ist, und zwar für 1 Mol

(k 0 = –R/N 0 ist die für 1 Molekül berechnete Gaskonstante - Boltzmann-Konstante). Die Anzahl der Freiheitsgrade (i) ist die Anzahl unabhängiger Arten mechanischer Energie, die ein Gasmolekül besitzt. Dann beträgt die Energie 1 Mol

(ungefähr unter Berücksichtigung von R = 2, c v = i, c p = i+2).

Bei der Untersuchung von Gasen spielt die Beziehung c p /c v = γ eine wichtige Rolle; aus den Gleichungen (11) und (12):

Im einfachsten Fall einatomiges Gas(dessen Molekül aus 1 Atom besteht, das sind die Edelgase und Dämpfe vieler Metalle) i ist das kleinste und gleich 3: Die gesamte Energie des Moleküls reduziert sich auf die kinetische Energie seiner Translationsbewegungen, die in auftreten können drei unabhängige, zueinander senkrechte Richtungen; Dann

und γ hat den größtmöglichen Wert: γ = 5/3 = 1,667. Für zweiatomige Gase(H 2, O 2, N 2, CO und andere) kann als I = 3+2 betrachtet werden (zwei Drehungen um zwei zueinander senkrechte Achsen, senkrecht zur Verbindungslinie beider Atome); dann ist c v = 4,96 ≈ 5, cð = 6,95 ≈ 7 und γ = 7/5 = 1,40. Für dreiatomiges Gas(H 2 O, CO 2, H 2 S, N 2 O)i = 3+3 (Rotation um drei zueinander senkrechte Achsen) und c v = 5,96 ≈ 6, cð = 7,95 ≈ 7 und γ = 4/ 3 = 1,33.

Mit weiterer Komplikation der Struktur des Moleküls, d. h. mit einer Zunahme von i, c v und c p nehmen zu, und γ = 1 + 2/i und tendiert zu 1. Tabelle. 1 zeigt, dass alles Gesagte gut mit experimentellen Daten übereinstimmt, dass γ immer >1 und ≤1,667 ist und nicht = 1,50 sein kann (für i = 4).

Bei einatomigen Gasen ändern sich c v und c p der Theorie zufolge praktisch nicht mit der Temperatur (so liegen für Ar die Werte von c v und c p im Bereich von 2,98 bis 3,00 zwischen Temperaturen = 0° und 1000° C). Änderungen von c v und c p mit der Temperatur werden in der Quantentheorie erklärt. Allerdings ändern sich die Wärmekapazitäten nahezu idealer Gase über weite Temperaturbereiche praktisch nicht. c p und y werden normalerweise experimentell bestimmt und c v wird aus diesen Daten berechnet.

Echte Gase. Alle in der Realität existierenden Gase sind reale Gase b. oder m. weichen von den Gesetzen idealer Gase ab, aber je weniger, desto höher die Temperatur und desto niedriger der Druck. Das. Die Gesetze idealer Gase sind für reale Gase einschränkend. Bei gewöhnlichen Temperaturen sind die Abweichungen bei Gasen am geringsten, deren kritische Temperaturen extrem niedrig sind (die sogenannten Permanentgase: He, H2, N2, O2, Luft); Bei Gasen mit einer relativ hohen kritischen Temperatur und bei Dämpfen (Dampf ist ein Gas mit einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur) sind die Abweichungen sehr groß. Die Gründe für die Abweichungen realer Gase von den Gasgesetzen sind: 1) in ihnen wirken intermolekulare Kräfte; Daher werden Oberflächenmoleküle durch Kräfte in Gase hineingezogen, deren Resultierende, die pro Flächeneinheit berechnet und senkrecht dazu gerichtet ist, genannt wird molekularer (innerer) Druck K; 2) nicht das gesamte Gasvolumen (v), sondern nur ein Teil davon (v-b) gibt den Molekülen Bewegungsfreiheit; Ein Teil des Volumens (b), das Covolum, ist sozusagen von den Molekülen selbst besetzt. Wenn das Gas ideal wäre, wäre sein Druck um einen Betrag K größer als der beobachtete (p); Daher wird die Zustandsgleichung eines realen Gases in der Form geschrieben.

In dieser allgemeinen Gleichung können K und b von T und v abhängen.

Van der Waals zeigte, dass im einfachsten Fall K = a/v 2 ist und b ein konstanter Wert ist, der dem Vierfachen des Volumens der Gasmoleküle selbst entspricht. Somit hat die Van-der-Waals-Gleichung die Form:

a und b, die Van-der-Waals-Konstanten hängen erfahrungsgemäß immer noch von T und v ab, und daher ist Gleichung (15) nur eine erste Näherung; Es vermittelt gut die qualitative Form der Isothermen realer Gase.

In Abb. Für die theoretische CO 2 -Isotherme sind die in 1 gezeigten Werte dargestellt: Die S-förmigen Teile dieser Isothermen entsprechen sich thermodynamisch metastabile Zustände.

In Abb. Abbildung 2 zeigt experimentelle Isothermen für CO 2: Die S-förmigen Teile der Kurven werden durch gerade Teile ersetzt; Rechts von diesen Teilen entsprechen die Kurven dem Gas (ungesättigter Dampf), links der Flüssigkeit und die geraden Segmente selbst dem Gleichgewicht von Dampf und Flüssigkeit. Gleichung (15) zeigt in voller Übereinstimmung mit der Erfahrung, dass mit zunehmender Temperatur die Abmessungen gerader Segmente auf Isothermen immer kleiner werden (Abb. 2) und schließlich bei einer bestimmten Temperatur, die der kritischen Temperatur entspricht, deren Länge Segment wird 0. Bei einer höheren Temperatur Bei einer kritischen Temperatur kann sich ein Gas unter keinem Druck in eine Flüssigkeit verwandeln: Die Flüssigkeit hört auf zu existieren. Das. Die Van-der-Waals-Gleichung deckt zwei Zustände ab – gasförmig und flüssig – und dient als Grundlage für die Lehre von der Kontinuität des Übergangs zwischen diesen beiden Zuständen. Kritische Temperaturen für einige Gase liegen bei folgenden Werten: +360 °C für H 2 O, +31 °C für CO 2, –241 °C für H 2 und –254 °C für He.

Gasverflüssigung. Jedes Gas kann durch geeigneten Druck in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, nachdem es zunächst unter die kritische Temperatur abgekühlt wurde. Die für die Verflüssigung von CO 2 bei verschiedenen Temperaturen erforderlichen Drücke (in Atm) sind in der Tabelle angegeben. 2.

Es ist klar, dass diese Drücke die Drücke des gesättigten Dampfes von flüssigem Kohlendioxid sind und je niedriger die Temperatur, desto niedriger.

Um das Gas für die Verflüssigung stark vorzukühlen, nutzen technische Anlagen den Joule-Thomson-Effekt, der darin besteht, dass bei adiabatischer Expansion (zum Beispiel bei starkem Druckabfall beim Ausströmen von Gas aus dem Loch) die innere Energie des Gases nimmt um ΔU zu und T ändert sich um ΔТ, und zwar thermodynamisch

Bei idealen Gasen ist ΔU = 0 und ΔТ = 0 [da nach Gleichung (1) T∙dv/dT – v = 0].

Für reale Gase ist ΔТ ≠ 0, d. h. es kommt zu Abkühlung oder Erwärmung, je nachdem, ob T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(mit ausreichender Näherung). Das. Bei ausreichend hohen Temperaturen erwärmen sich alle Gase während der adiabatischen Expansion (ΔТ > 0, da a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает Umkehrpunkt T i , bestimmt durch die Bedingung

unterhalb dessen sich Gase während der adiabatischen Expansion abzukühlen beginnen (a/R∙T> b bei T< Т i). Для всех газов, кроме Н 2 и Не, Т i лежит выше обычных температур (так, для воздуха Т i соответствует +360°С), и потому газы могут быть сжижены по принципу Линде , без предварительного охлаждения. Для Н 2 инверсионная точка Т i - 80,5°С, а для Не - даже 15°К; поэтому Н 2 и Не для сжижения д. б. предварительно охлаждены ниже этих температур.

Entsprechende Staaten. Kritische Temperatur Tk, Druck pk und Volumen vk m.b. ausgedrückt in Form der Van-der-Waals-Konstanten a, b und R wie folgt:

Wenn wir die kritischen Werte jeweils als Maßeinheiten für T, p und v nehmen, dann wird der Zustand anstelle von T, p und v durch charakterisiert gegebene Werte:

Wenn wir θ, π und ϕ in die Van-der-Waals-Gleichung (15) einführen, heben sich die Konstanten a, b und R auf und wir erhalten reduzierte Zustandsgleichung, mit numerischen Koeffizienten

enthält keine Mengen, die von der Art des Stoffes abhängen. Gleichung (19) setzt jedoch die Richtigkeit der Van-der-Waals-Gleichung voraus, weshalb Abweichungen davon insbesondere bei assoziierten Stoffen oft recht erheblich sind. Die Untersuchung entsprechender Zustände (der sogenannten Zustände, die demselben θ, π und ϕ entsprechen) ermöglicht es, eine große Anzahl universeller Abhängigkeiten ähnlich der Gleichung (19) zu finden.

Anwendung von Gasen. Komprimierte und verflüssigte Gase werden in der Technik überall dort eingesetzt, wo große Gasmengen in einem kleinen Volumen benötigt werden; So wird CO 2 zum Karbonisieren von Wasser, Cl 2 und Phosgen – in der Militärchemie, O 2 – für medizinische Zwecke, Druckluft – zum Starten von Verbrennungsmotoren verwendet. Eine besondere Bedeutung haben verflüssigte Gase (CO 2 und NH 3) in der Kältetechnik, in Kühlmaschinen (z. B. zur Herstellung von Kunsteis). Zum Befüllen von Ballons werden leichte Gase (H 2 , Leuchtgas und neuerdings auch He) verwendet. Zur Befüllung von Halbwatt-Glühlampen werden Inertgase (N 2 und Edelgase, insbesondere Ar) verwendet. Hervorzuheben ist die Verwendung von Gas zur Beleuchtung oder als Brennstoff: Beleuchtung, Strom, Wasser, Gase und andere.

Großtechnische Produktion von Flüssigerdgas

Die Umwandlung von Erdgas in einen flüssigen Zustand erfolgt in mehreren Stufen. Zunächst werden alle Verunreinigungen entfernt – vor allem Kohlendioxid und manchmal sogar minimale Spuren von Schwefelverbindungen. Dabei wird Wasser entzogen, das sonst zu Eiskristallen werden und die Verflüssigungsanlage verstopfen könnte.

Zur komplexen Gasreinigung von Feuchtigkeit, Kohlendioxid und schweren Kohlenwasserstoffen wird in jüngster Zeit in der Regel das Adsorptionsverfahren der Tiefengasreinigung an Molekularsieben eingesetzt.

Der nächste Schritt besteht darin, die meisten schweren Kohlenwasserstoffe zu entfernen, sodass hauptsächlich Methan und Ethan zurückbleiben. Anschließend wird das Gas schrittweise abgekühlt, üblicherweise durch einen zweizyklischen Kühlprozess in einer Reihe von Wärmetauschern (Kühlverdampfer). Die Reinigung und Fraktionierung erfolgt, ebenso wie der Hauptteil der Kühlung, unter hohem Druck. Die Kälte wird durch einen oder mehrere Kühlkreisläufe erzeugt, wodurch die Temperatur auf -160 °C gesenkt werden kann. Dann wird es bei Atmosphärendruck flüssig.

Produktion von Flüssigerdgas

Abbildung 1. Erdgasverflüssigungsprozess (LNG-Produktion)

Die Verflüssigung von Erdgas ist nur möglich, wenn es unter eine kritische Temperatur abgekühlt wird. Andernfalls kann das Gas auch bei sehr hohem Druck nicht in Flüssigkeit umgewandelt werden. Um Erdgas bei einer Temperatur gleich der kritischen Temperatur (T = T cr) zu verflüssigen, muss sein Druck gleich oder größer als die kritische Temperatur sein, d. h. P > Pkt. Wenn Erdgas unter einem Druck unterhalb des kritischen Werts verflüssigt wird (P< Ркт) температура газа также должна быть ниже критической.

Zur Verflüssigung von Erdgas können sowohl die Prinzipien der Innenkühlung genutzt werden, wenn Erdgas selbst als Arbeitsmedium fungiert, als auch die Prinzipien der Außenkühlung, wenn kryogene Hilfsgase mit niedrigerem Siedepunkt (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Helium) verwendet werden ). Im letzteren Fall erfolgt der Wärmeaustausch zwischen Erdgas und kryogenem Hilfsgas über die Wärmeaustauschfläche.

Bei der industriellen LNG-Produktion sind die Verflüssigungszyklen am effizientesten, wenn eine externe Kühleinheit (externe Kühlprinzipien) verwendet wird, die mit Kohlenwasserstoffen oder Stickstoff betrieben wird und fast das gesamte Erdgas verflüssigt. Zyklen mit Kältemittelmischungen sind weit verbreitet, wobei ein einflutiger Kaskadenkreislauf mit einem spezifischen Energieverbrauch von 0,55–0,6 kWh/kg LNG häufiger als andere eingesetzt wird.

In Verflüssigungsanlagen mit geringer Kapazität wird verflüssigtes Erdgas als Kältemittel verwendet; in diesem Fall werden einfachere Kreisläufe verwendet: mit Drosselung, einem Expander, einem Wirbelrohr usw. In solchen Anlagen beträgt der Verflüssigungskoeffizient 5-20 %, und Erdgas müssen im Kompressor vorkomprimiert werden.

Die Verflüssigung von Erdgas auf Basis innerer Kühlung kann auf folgende Weise erreicht werden:

* Isenthalpie-Ausdehnung von komprimiertem Gas (Enthalpie i = const), d. h. Drosselung (unter Verwendung des Joule-Thomson-Effekts); beim Drosseln leistet der Gasstrom keine Arbeit;

* isentrope Expansion von komprimiertem Gas (Entropie S-const) unter Rückkehr externer Arbeit; In diesem Fall wird zusätzlich zu der durch den Joule-Thomson-Effekt verursachten Kältemenge eine zusätzliche Kältemenge gewonnen, da die Expansionsarbeit des Gases aufgrund seiner inneren Energie verrichtet wird.

Die isenthalpische Expansion von Druckgas wird in der Regel nur in Verflüssigungsanlagen geringer und mittlerer Kapazität eingesetzt, bei denen ein gewisser Energieüberverbrauch vernachlässigt werden kann. Die isoentrope Expansion von Druckgas wird in Hochleistungsgeräten (im industriellen Maßstab) eingesetzt.

Die Verflüssigung von Erdgas auf Basis externer Kühlung kann auf folgende Weise erreicht werden:

* Verwendung der Kryogeneratoren Stirling, Vulemier-Taconis usw.; Die Arbeitsflüssigkeiten dieser Kryogeneratoren sind in der Regel Helium und Wasserstoff, wodurch bei Durchführung eines geschlossenen thermodynamischen Kreislaufs eine Temperatur an der Wand des Wärmetauschers erreicht werden kann, die unter dem Siedepunkt von Erdgas liegt.

* Verwendung von kryogenen Flüssigkeiten mit einem niedrigeren Siedepunkt als Erdgas, wie z. B. flüssiger Stickstoff, Sauerstoff usw.;

* Verwendung eines Kaskadenkreislaufs mit verschiedenen Kältemitteln (Propan, Ammoniak, Methan usw.); In einem Kaskadenkreislauf erzeugt ein Gas, das durch Kompression leicht verflüssigt werden kann, beim Verdampfen die nötige Kälte, um die Temperatur eines anderen Gases zu senken, das schwer zu verflüssigen ist.

Nach der Verflüssigung wird LNG in speziell isolierten Lagertanks abgefüllt und dann zum Transport auf Gastanker verladen. Während dieser Transitzeit wird stets ein kleiner Teil des LNG „verdampft“ und kann als Treibstoff für die Motoren des Tankers verwendet werden. Beim Erreichen des Verbraucherterminals wird das Flüssiggas entladen und in Lagertanks gefüllt.

Bevor LNG zum Einsatz kommt, wird es in einer Regasifizierungsstation wieder in den gasförmigen Zustand überführt. Nach der Regasifizierung wird Erdgas auf die gleiche Weise genutzt wie Gas, das durch Gaspipelines transportiert wird.

Ein LNG-Annahmeterminal ist eine weniger komplexe Struktur als eine Verflüssigungsanlage und besteht hauptsächlich aus einer Annahmestelle, einem Entladeregal, Lagertanks, Aufbereitungsanlagen für Verdampfungsgase aus Tanks und einer Dosiereinheit.

Die Technologie der Gasverflüssigung, ihres Transports und ihrer Lagerung ist weltweit bereits vollständig beherrscht. Daher ist die LNG-Produktion eine sich relativ schnell entwickelnde Industrie im globalen Energiesektor.

Produktion von Flüssigerdgas im kleinen Maßstab

Moderne Technologien ermöglichen es, das Problem der autonomen Energieversorgung kleiner Industrie-, Sozialunternehmen und besiedelter Gebiete durch die Schaffung von Energieanlagen auf Basis von Minienergie mit LNG zu lösen.

Autonome Mini-Energieanlagen mit Flüssigerdgas werden nicht nur dazu beitragen, das Problem der Energieversorgung in abgelegenen Regionen zu beseitigen, sondern sind auch eine Alternative zur Beendigung der Abhängigkeit der Verbraucher von großen Strom- und Wärmelieferanten. Derzeit ist die LNG-Produktion in kleinem Maßstab ein attraktiver Bereich für Investitionen in Energieanlagen mit einer relativ kurzen Amortisationszeit für Kapitalinvestitionen.

Mit der Einführung von Expander-Kompressor-Einheiten gibt es eine Technologie zur Verflüssigung von Erdgas unter Nutzung der Energie des Gasdruckabfalls an der Gasverteilungsstation, die an der Tankstelle Nikolskaya (Gebiet Leningrad) umgesetzt wird. Die Auslegungskapazität der LNG-Anlage beträgt 30 Tonnen pro Tag.

Die Erdgasverflüssigungsanlage besteht aus einem Block von Gefrierwärmetauschern, einem Druckgaskühlsystem, einer Verflüssigungseinheit, einer zweistufigen Turboexpander-Kompressor-Einheit, einem automatisierten System zur Überwachung und Steuerung des Betriebs der Anlage (ASKU) und Ventilen , einschließlich kontrollierte, und Instrumentierung.

Abbildung 2. Diagramm der Erdgasverflüssigungsanlage

Das Funktionsprinzip der Anlage ist wie folgt (Abb. 2).

Den Turbokompressoren K1 und K2 wird Erdgas mit einer Durchflussrate von 8000 nm3/h und einem Druck von 3,3 MPa zugeführt, die auf derselben Welle wie die Turboexpander D1 und D2 arbeiten.

In einer Erdgasverflüssigungsanlage ist aufgrund der relativ hohen Reinheit des Erdgases (CO2-Gehalt nicht mehr als 400 ppm) nur eine Gastrocknung vorgesehen, die zur Reduzierung der apparativen Kosten durch Einfrieren erfolgen soll Feuchtigkeit heraus.

Bei einem zweistufigen Turbolader steigt der Gasdruck auf 4,5 MPa, dann wird das komprimierte Gas nacheinander in den Wärmetauschern T3-2 und T3-1 abgekühlt und gelangt in den Gefrierschrank, bestehend aus 3 Wärmetauschern T11-1, T11-2 und T11-3 (oder T12-1, T12-2 und T12-3), wo durch Nutzung der Kälte des umgekehrten Gasstroms vom Wärmetauscher T2-1 Feuchtigkeit ausgefroren wird. Das gereinigte Gas nach Filter F1-2 wird in zwei Ströme aufgeteilt.

Ein Strom (der Großteil) wird zur Kälterückgewinnung zum Gefrierschrank geleitet und am Ausgang des Gefrierschranks durch einen Filter nacheinander den Turboexpandern D1 und D2 zugeführt und anschließend am Ausgang des Abscheiders in den Gegenstrom geleitet C2-1.

Der zweite Strom wird zum Wärmetauscher T2-1 geleitet, wo er nach dem Abkühlen durch die Drossel DR in den Abscheider C2-1 gedrosselt wird, in dem die flüssige Phase von ihrem Dampf getrennt wird. Die flüssige Phase (verflüssigtes Erdgas) wird zum Lagertank und zum Verbraucher geleitet, und die Dampfphase wird nacheinander dem Wärmetauscher T2-1, dem Gefrierschrank T11 oder T12 und dem Wärmetauscher T3-2 und danach zugeführt die Niederdruckleitung hinter der Gasverteilungsstation, wo der Druck 0,28–0,6 MPa erreicht.

Nach einer bestimmten Zeit wird der Betriebs-Gefrierschrank T11 auf Heizen und Spülen mit Niederdruckgas aus der Hauptleitung umgeschaltet, und der Gefrierschrank T12 wird in den Betriebsmodus geschaltet. 28. Januar 2009, A.P. Inkov, B.A. Skorodumov und andere. Neftegaz.RU

In unserem Land gibt es eine beträchtliche Anzahl von Gasverteilungsstationen, an denen das reduzierte Gas nutzlos an Druck verliert, und in manchen Fällen ist es im Winter notwendig, zusätzliche Energie bereitzustellen, um das Gas zu erhitzen, bevor es gedrosselt wird.

Gleichzeitig ist es durch die Nutzung der praktisch kostenlosen Energie des Gasdruckabfalls möglich, einen gesellschaftlich nützlichen, bequemen und umweltfreundlichen Energieträger zu gewinnen – Flüssigerdgas, mit dem man industrielle, soziale Einrichtungen und Siedlungen vergasen kann, die es nicht gibt Pipeline-Gasversorgung.

Die experimentelle Tatsache, einen Stoff beim Verdampfen abzukühlen, ist seit langem bekannt und wurde sogar praktisch genutzt (z. B. die Verwendung poröser Gefäße zur Erhaltung der Frische von Wasser). Die erste wissenschaftliche Studie zu diesem Thema wurde jedoch von Gian Francesco Cigna durchgeführt und in seinem Werk „De frigore ex evaporatione“ („Über Kälte aufgrund von Verdunstung“) aus dem Jahr 1760 beschrieben.

Cigna bewies, dass die Abkühlung umso intensiver ist, je schneller die Verdunstung erfolgt, und Meran zeigte, dass der Temperaturabfall größer ausfällt, wenn man auf eine nasse Thermometerkugel bläst, als im gleichen Experiment mit einer trockenen Thermometerkugel. Antoine Baume (1728-1804) entdeckte, dass bei der Verdunstung von Schwefelether die Abkühlung stärker erfolgt als bei der Verdunstung von Wasser. Basierend auf diesen Fakten schuf Tiberio Cavallo im Jahr 1800 eine Kühlmaschine und Wollaston baute 1810 sein berühmtes Kryophor, das noch heute verwendet wird. Basierend auf diesem Gerät entstand 1820 das Daniel-Hygrometer. Praktisch anwendbar wurde die Kühlmaschine erst nach 1859, also nachdem Fernand Carré (1824-1894) seine Methode zur Herstellung von Eis durch Verdampfen von Äther veröffentlichte, der später durch Ammoniak ersetzt wurde. Im Jahr 1871 beschrieb Karl Linde (1842-1934) eine von ihm entwickelte Kältemaschine, bei der die Kühlung durch Gasexpansion erreicht wurde. 1896 kombinierte er diese Maschine mit einem in Physikkursen beschriebenen Gegenstromwärmetauscher und konnte so flüssigen Wasserstoff gewinnen. Die damals von Physikern erzielten experimentellen Ergebnisse wurden in die Industrie übernommen.

Das Problem der Gasverflüssigung hat eine jahrhundertealte Geschichte, die bis in die zweite Hälfte des 18. Jahrhunderts zurückreicht. Alles begann mit der Verflüssigung von Ammoniak durch einfache Kühlung, die von van Marum durchgeführt wurde, Schwefelsäureanhydrid – Monge und Clouet, Chlor – Northmore (1805) und der Verflüssigung von Ammoniak durch die von Baccelli (1812) vorgeschlagene Kompressionsmethode.

Den entscheidenden Beitrag zur Lösung dieses Problems leisteten gleichzeitig und unabhängig voneinander Charles Cagniard de Latour (1777–1859) und Michael Faraday (1791–1867).

In einer Reihe von 1822 und 1823 veröffentlichten Arbeiten beschrieb Cagniard de Latour die Experimente, die er durchführte, um die Existenz einer Flüssigkeit (wie sie intuitiv empfunden wird) mit einer begrenzten Ausdehnung festzustellen, jenseits derer, unabhängig vom ausgeübten Druck, das Ganze Flüssigkeit geht in einen Dampfzustand über. Zu diesem Zweck legte de Latour eine Steinkugel in einen Kessel, der zu einem Drittel mit Alkohol gefüllt war, und begann, den Kessel allmählich zu erhitzen. Aus dem Geräusch, das die sich im Kessel drehende Kugel erzeugte, schloss de La Tour, dass bei einer bestimmten Temperatur der gesamte Alkohol verdampft war. Die Experimente wurden mit kleinen Röhrchen wiederholt; Die Luft wurde aus den Röhrchen entfernt, und dann wurden sie zu 2/5 mit der Testflüssigkeit (Alkohol, Ether, Benzin) gefüllt und in einer Flamme erhitzt. Mit zunehmender Temperatur wurde die Flüssigkeit immer beweglicher und die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf verschwommen zunehmend, bis sie bei einer bestimmten Temperatur vollständig verschwand und die gesamte Flüssigkeit scheinbar in Dampf umgewandelt war. Durch den Anschluss dieser Rohre an ein Manometer mit Druckluft konnte Cagniard de Latour den Druck messen, der in dem Rohr herrschte, wenn die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf verschwindet, und die entsprechende Temperatur. Entgegen der landläufigen Meinung bestimmte Cagniard de Latour bei diesen Experimenten nicht nur nicht die kritische Temperatur für Wasser, es gelang ihm auch nicht, das Wasser vollständig zu verdampfen, da die Röhren immer platzten, bevor der gewünschte Effekt erzielt wurde.

Ein konkreteres Ergebnis lieferten Faradays Experimente aus dem Jahr 1823 mit gebogenen Glasröhren, deren längerer Arm versiegelt war. Faraday platzierte eine Substanz in diesem Arm, die beim Erhitzen das zu untersuchende Gas erzeugen würde, schloss dann den zweiten, kurzen Arm der Röhre und tauchte die Röhre in die Kühlmischung. Wird die Substanz anschließend im langen Arm der Röhre erhitzt, entsteht ein Gas, dessen Druck allmählich ansteigt, und in vielen Fällen kommt es in Faradays kurzer Röhre zu einer Verflüssigung des Gases. So erhielt Faraday durch Erhitzen von Natriumbicarbonat flüssiges Kohlendioxid; auf die gleiche Weise erhielt er flüssigen Schwefelwasserstoff, Chlorwasserstoff, Schwefelsäureanhydrid usw.

Experimente von de La Tour und Faraday zeigten, dass es möglich war, Gas zu verflüssigen, indem man es einem hohen Druck aussetzte. Viele Physiker begannen in dieser Richtung zu arbeiten, insbesondere Johann Natterer (1821–1901). Einige Gase (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff) konnten auf diese Weise jedoch nicht verflüssigt werden. Im Jahr 1850 setzte Verthelot Sauerstoff einem Druck von 780 atm aus, konnte jedoch keine Verflüssigung erreichen. Dies zwang Verthelot, sich der Meinung von Faraday anzuschließen, der überzeugt war, dass es früher oder später möglich sein würde, festen Wasserstoff zu gewinnen, und glaubte, dass Druck allein nicht ausreichte, um bestimmte Gase zu verflüssigen, die damals als „permanent“ oder „unbezwingbar“ bezeichnet wurden.

Im selben Jahr 1845, als Faraday diese Idee zum Ausdruck brachte, stellte Regnault fest, dass Kohlendioxid bei niedrigen Temperaturen eine anomale Kompressibilität aufweist und bei Annäherung an 100 ° C beginnt, dem Boyleschen Gesetz zu folgen, und stellte die Annahme auf, dass es für jedes Gas eine bestimmte Temperatur gibt Region, in der es dem Gesetz von Boyle gehorcht. Im Jahr 1860 wurde Regnaults Idee von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834-1907) entwickelt und modifiziert, wonach alle Flüssigkeiten einen „absoluten Siedepunkt“ haben müssen, oberhalb dessen sie unabhängig vom Druck nur im gasförmigen Zustand existieren können.

Die Untersuchung dieser Frage wurde 1863 in neuer Form von Thomas Andrews (1813-1885) wieder aufgenommen. Im Jahr 1863 leitete Andrews Kohlendioxid in ein Kapillarrohr ein und hielt das Gasvolumen mit einer Quecksilbersäule fest. Mit einer Schraube stellte er willkürlich den Druck ein, unter dem sich das Gas befand, und veränderte gleichzeitig schrittweise die Temperatur. Nachdem Andrews eine teilweise Verflüssigung des Gases durch einfaches Erhöhen des Drucks und anschließendes langsames Erhitzen des Rohrs erreicht hatte, beobachtete er dieselben Phänomene, die Cagniard de Latour 30 Jahre zuvor untersucht hatte. Als die Temperatur des Kohlendioxids 30,92 °C erreichte, verschwand die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas und es konnte kein Druck mehr ausgeübt werden, um flüssiges Kohlendioxid zurückzugewinnen. In seiner detaillierten Arbeit von 1869 schlug Andrews vor, die Temperatur von 30,92 °C als „kritischen Punkt“ für Kohlendioxid zu bezeichnen. Mit der gleichen Methode bestimmte er die kritischen Punkte für Chlorwasserstoff, Ammoniak, Schwefelsäureether und Stickoxide. Er schlug vor, den Begriff „Dampf“ für gasförmige Stoffe bei einer Temperatur unterhalb des kritischen Punktes beizubehalten und den Begriff „Gas“ für Stoffe zu verwenden, deren Temperatur oberhalb des kritischen Punktes liegt. Dieser Standpunkt von Andrews wurde durch die bereits erwähnten Experimente von Natterer bestätigt, die er von 1844 bis 1855 durchführte und bei denen permanente Gase einem Druck von bis zu 2790 atm ausgesetzt wurden, ohne sich zu verflüssigen, und durch zahlreiche ähnliche Experimente, die 1870 von Emil Amaga begonnen wurden (1841–1915), in dem Drücke von bis zu 3000 atm erreicht wurden.

Alle diese negativen experimentellen Ergebnisse bestätigten Andrews‘ Hypothese, dass Permanentgase Stoffe sind, deren kritische Temperatur niedriger ist als die zu diesem Zeitpunkt erreichten Werte, sodass ihre Verflüssigung durch vorläufige Tiefenkühlung, möglicherweise gefolgt von Kompression, erreicht werden könnte. Diese Hypothese wurde 1877 von Louis Calete (1832-1913) und Raoul Pictet (1846-1929) auf brillante Weise bestätigt, denen es unabhängig voneinander gelang, nach vorheriger starker Abkühlung die Verflüssigung von Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Luft zu erreichen. Die Arbeit von Calhete und Pictet wurde von anderen Physikern fortgeführt, aber erst das Aufkommen der bereits erwähnten Linde-Kühlmaschine machte Verflüssigungsmethoden praktisch zugänglich und ermöglichte die Produktion von Flüssiggasen in großen Mengen und deren weit verbreitete Verwendung in der wissenschaftlichen Forschung und Industrie.

SPEZIFISCHE WÄRMEKAPAZITÄT VON GASEN

Methoden zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität waren aufgrund des geringen spezifischen Gewichts von Gasen und Dämpfen schwierig auf gasförmige Stoffe anzuwenden. Daher schrieb die Pariser Akademie der Wissenschaften zu Beginn des 19. Jahrhunderts einen Wettbewerb für die beste Methode zur Messung der spezifischen Wärmekapazität von Gas aus. Der Preis wurde an François Delaroche (? – 1813?) und Jacques Bérard (1789–1869) verliehen, die vorschlugen, in einem Kalorimeter eine Spule anzubringen, durch die Gas bei einem festen Druck und einer bekannten Temperatur strömen würde. Diese Methode war eigentlich nicht neu; Es wurde 20 Jahre zuvor von Lavoisier vorgeschlagen. Wie dem auch sei, die Ergebnisse von Delaroche und Berard wurden ein halbes Jahrhundert lang in Physikkursen präsentiert. Das Verdienst dieser Wissenschaftler besteht vor allem darin, dass sie auf die Notwendigkeit aufmerksam gemacht haben, zwischen spezifischen Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und bei konstantem Volumen zu unterscheiden. Letzterer Wert ist aufgrund der geringen Wärmekapazität des Gases im Vergleich zur Wärmekapazität des Reservoirs, in dem es sich befindet, sehr schwer zu messen.

Doch einige Jahre vor dem Erscheinen der Werke von Delaroche und Bérard begann die Erforschung eines merkwürdigen Phänomens, das 1788 von Erasmus Darwin (1731-1802) und dann 1802 von Dalton festgestellt wurde und darin besteht, dass es durch die Kompression von Luft verursacht wird erwärmt sich, und die Ausdehnung führt zu einer Abkühlung. Als Beginn der Erforschung dieses Phänomens wird üblicherweise das Experiment von Gay-Lussac (1807) angesehen, das 1845 von Joule wiederholt wurde. Gay-Lussac verband zwei Zylinder mit einem Rohr, genau wie Guericke; einer der Zylinder war mit Luft gefüllt und der zweite war leer; Luft konnte ungehindert von einem gefüllten Zylinder zu einem leeren strömen. Dadurch wurde ein Temperaturabfall im ersten Zylinder und ein Temperaturanstieg im zweiten Zylinder festgestellt. Dieses thermische Verhalten der Luft führte uns zu der Annahme, dass die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck größer sein sollte als bei konstantem Volumen, unabhängig davon, welcher Theorie über die Natur der Wärme wir uns anschließen. Wenn ein Gas bei seiner Expansion abkühlt, muss man ihm durch die Expansion bei Erwärmung zusätzliche Wärme zuführen, um die mit der Expansion einhergehende Abkühlung zu kompensieren.

Basierend auf diesen experimentellen Fakten kam Laplace 1816 zu der brillanten Idee, dass die bekannte Diskrepanz zwischen dem experimentell ermittelten Wert der Schallgeschwindigkeit und ihrem theoretischen Wert, der sich aus dem Newtonschen Gesetz ergibt, durch die Temperaturänderung der Schichten erklärt werden kann von Luft bei abwechselnder Kompression und Verdünnung. Basierend auf diesen theoretischen Prämissen korrigierte Laplace die Newtonsche Formel, indem er einen Koeffizienten einführte, der dem Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und konstantem Volumen für Luft entspricht. Ein Vergleich des experimentellen Wertes der Schallgeschwindigkeit in Luft und des theoretischen Wertes aus der Newtonschen Formel ermöglichte es, das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten zu ermitteln. Auf diese indirekte Weise konnten Physiker erste Daten über den Wert dieses Verhältnisses erhalten und dadurch, da der Wert der spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Druck bekannt war, die spezifische Wärmekapazität von Luft bei konstantem Volumen abschätzen. Einige Jahre später (1819) gelang es Nicolas Clément (1779-1841) und Charles Desormes (1777-?), in Experimenten zur Expansion von Gasen, die von anderen Wissenschaftlern bis heute vielfach wiederholt wurden, das Verhältnis der Wärmekapazitäten direkt zu bestimmen bis heute und in allen Lehrbüchern der Physik enthalten, was im Rahmen experimenteller Fehler mit dem von Laplace gefundenen übereinstimmte.

Im Jahr 1829 bestimmte Dulong als Ergebnis subtiler und sorgfältiger Forschung das Verhältnis der Wärmekapazitäten verschiedener Gase, für die er mithilfe von Strömen verschiedener Gase Schall in einem Rohr erzeugte. Diese Experimente führten ihn zu dem Schluss, dass in Gasen und Dämpfen unter gleichen Bedingungen (Volumen, Druck, Temperatur) bei gleicher relativer Kompression bzw. Ausdehnung die gleiche Wärmemenge entsteht.

Beachten Sie, dass Dulongs Methode 1866 von Kundt (1839-1894) erheblich verbessert wurde, der eine spezielle Röhre einführte (diese Röhre wird heute Kundt-Röhre genannt). Die Kundt-Methode gilt nach wie vor als eine der besten Methoden zur Bestimmung des Verhältnisses spezifischer Wärmekapazitäten.

Zusammengestellt von Savelyeva F.N.