Александр Федоров - Огненный воздух

Каким же образом удается разделить эти газы и получить из воздуха чистый кислород?

30 лет назад сравнительно широко применялся химический способ получения кислорода. Для этого использовалось соединение металла бария с кислородом — окись бария. Это вещество имеет одно интересное свойство. Нагретая до темно-красного цвета (примерно до 540 градусов) окись бария энергично соединяется с кислородом воздуха, образуя при этом новое более богатое кислородом вещество — перекись бария. Однако при дальнейшем нагревании перекись бария разлагается, выделяет кислород и снова превращается в окись. Кислород при этом улавливается и собирается в особые сосуды — баллоны, а перекись бария охлаждается до 540 градусов, чтобы снова получить способность извлекать кислород из воздуха.

Кислородные установки, работавшие по такому способу, давали несколько кубических метров газа в час. Однако они были дороги, громоздки и неудобны. Кроме того, окись бария при работе постепенно теряла свои поглотительные свойства и ее приходилось часто менять.

Все это привело к тому, что с течением времени химический способ получения кислорода из воздуха был вытеснен другими, более совершенными.

Наиболее просто удается выделить кислород из воздуха в том случае, если воздух предварительно превращен в жидкость.

Жидкий воздух при обычном атмосферном давлении имеет крайне низкую температуру — минус 192 градуса, то-есть на 192 градуса ниже точки замерзания воды. Но температура ожижения отдельных газов, входящих в состав воздуха, не одинакова. Жидкий азот, например, кипит и испаряется при температуре минус 196 градусов, а кислород при минус 183 градуса. Эта разница в 13 градусов и позволяет разделить жидкий воздух на составляющие его газы.

Если налить жидкий воздух в какой-либо сосуд, он энергично закипит и очень быстро испарится. При этом в первые моменты испаряется преимущественно азот, и жидкий воздух все больше обогащается кислородом. Этот процесс и положен в основу устройства специальных аппаратов, применяющихся для разделения воздуха.

В настоящее время жидкий воздух широко используют для промышленного получения кислорода. Однако, чтобы превратить атмосферный воздух в жидкое состояние, его нужно охладить до весьма низкой температуры. Поэтому современный метод получения жидкого воздуха называется методом глубокого охлаждения .

Глубокое охлаждение воздуха ведут в специальных машинах. Но, прежде чем рассказать об их работе, нам необходимо познакомиться с несколькими простейшими физическими явлениями.

Приходилось ли вам когда-нибудь накачивать воздух в камеры велосипеда? Если приходилось, вы, вероятно, обратили внимание, что шины при этом немного нагреваются. Здесь происходит весьма распространенный в природе переход механической энергии в тепловую. Часть работы, которую мы затрачиваем на сжатие воздуха в шине, превращается в теплоту, и температура сжимаемого воздуха повышается.

Попробуйте теперь сделать такой опыт. Возьмите бутыль, наполненную на одну треть водой. Плотно закройте ее горлышко пробкой, сквозь которую пропущена трубка от резиновой груши. Сдавите грушу рукой. При этом воздух в бутыли сожмется и нагреется. Выждите немного и быстро отпустите грушу. Тогда воздух расширится до прежнего объема, и пространство над жидкостью наполнится туманом (рис. 1).

Рис. 1. Опыт, позволяющий обнаружить охлаждение газа при его расширении.

Почему это получилось? При расширении воздух охладился, и часть пара, образовавшегося из воды, превратилась в мельчайшие капельки воды, сконденсировалась.

Но почему же при расширении воздух охлаждается?

Если для сжатия газа затрачивает работу человек или машина, то при расширении работу совершает сам газ за счет заключенной в нем тепловой энергии. Такое превращение тепловой энергии в работу, сопровождаемое понижением температуры, тоже широко распространено в природе.

Расширение любого сжатого газа можно провести двумя путями. Можно, например, взять баллон, наполненный сжатым воздухом, и постепенно выпускать воздух через кран. Какую же работу совершает в этом случае газ? Он преодолевает силы сцепления между молекулами и трение молекул воздуха о стенки крана. Однако таким путем добиться большого охлаждения газа нельзя. Он совершает слишком мало механической работы.