Tayanch tushunchalar: suyultirish,joul-tomson effekti, nol tebranish Gazlarni suyultirish

26-Mavzu: Gazlarni suyultirish.
Reja:
1. Gazlarni suyultirish.Joul-Tomson effekti.
2. Gazlarni suyultirish usullari.
3. Suyultirilgan gazlarning xossalari.Suyuq geliy.
Tayanch tushunchalar: suyultirish,joul-tomson effekti, nol tebranish


Gazlarni suyultirish. Birinchi bo`lib gazni (ammiakni) siqish yo`li bilan suyuqlikka aylantirgan olim Van Marum (XVIII asr oxiri) edi. Van Marumdan so`ng gazlarni siqish yo`li bilan suyuq holatga o`tkazish borasida ko`p urinishlar bo`ldi. Lekin uzoq vaqt nima uchun ba`zi gazlarni siqqanda suyulish yuz berishi, boshqalarini siqqanda suyulish yuz bermasligi noaniqligicha qolaverdi. Ingliz fizigi Tomas Endryusning 1861-1869 yillar davomida bajargan ishlari natijasida yuqoridagi savolga javob topiladi. Endryus karbonat angidridning izotermalarini turli temperaturalarda siste-matik o`rgandi va bu tadqiqotlar asosida kritik temperatura tushunchasini kiritdi. U o`zining tadqiqotlari asosida quyidagi xulosaga keldi: gazning temperaturasi kritik temperaturadan pastda bo`lgan holdagina gazni siqish yo`li bilan suyuqlikka aylantirish mumkin. Agar gaz temperaturasi kritik temperaturadan yuqori bo`lsa, bosimni har qancha oshirganda ham gazni suyuqlikka aylantirib bo`lmaydi.
Hajm-bosim diagrammasi¹:


JOUL - TOMSON EFFEKTI Gazni yetarlicha katta, biroq o`zgarmas bosimda issiqlikdan izolyasiyalangan g`ovak to`siq orqali oqib o`tish jarayoni adiabatik hodisa bo`ladi. Gazning po`kak orqali stasionar oqishi Joul-Tomson protsessi va bunday oqishda gaz temperaturasining o`zgarishi Joul-Tomson effekti deb ataladi.
Gazlarning bunday oqishida temperaturaning o`zgarishi faqat real gazlarda kuzatiladi. Ideal gaz xuddi shunday kengayganida esa uning temperaturasi mutlaqo o`zgarmaydi.
Joul-Tomson protsessida real gaz temperaturasining pasayishiga sabab shuki, bunda gaz kengayib molekulyar kuchlarga qarshi ish bajaradi. Bu ish hisobiga molekulalarning issiqlik harakat energiyasi va demak, gazning temperatu-rasi o`zgaradi. Molekulalarning o`zaro ta`sir kuchlari nolga teng bo`ladigan ideal gazlarda Joul-Tomson effekti ham nolga teng bo`ladi.
Joul-Tomson effekti miqdoriy jihatdan Joul-Tomson differensial koeffitsiyenti deb ataluvchi  koeffitsiyent bilan xarakterlanadi. Bu koeffitsiyent gazning Т temperatura o`zgarishining bu o`zgarishni yuzaga keltirgan Р bosim o`zgarishiga nisbati bilan aniqlanadi.
(1)
Ideal gazlar uchun  0 ga teng. Agar gazning bosimi unchalik katta bo`lmasa (100200 atm bo`lsa), u holda Van-der-Vaals gazi uchun  koeffitsiyent quyidagiga teng bo`ladi:
(2)
Agar bo`lsa, 0 0 bo`ladi va gaz soviydi. Aksincha bo`lsa 0 0 bo`ladi va gaz isiydi. bo`lganda temperatura o`zgarishi nolga teng:
(3)
Bu temperatura Joul-Tomson effekti inversiya temperaturasi deyiladi. Bu temperaturadan past temperaturalarda Joul-Tomson jarayonida gaz soviydi, undan yuqori temperaturalarda esa gaz isiydi. Ko`pinchalik gazlar uchun inversiya temperaturasi xona temperaturasidan ancha yuqori bo`ladi. Bunday gazlar uchun Joul-Tomson effekti musbat. Vodorod va geliy uchun inversiya temperaturasi xona temperaturasidan ancha pastda bo`ladi. Ular uchun Joul-Tomson effekti manfiy, ya`ni bu gazlar Joul-Tomson jarayonida isiydi.
Texnikada Joul-Tomson effektidan past temperaturalar hosil qilish va gazlarni suyultirishda foydalaniladi. P.L. Kapisa (1938) geliyning o‘ta oquvchanlik hodisasini ochdi, u suyuq He-II ni tor tirqishdan va kapilyardan ishqalishsiz oqib o‘tish qobilyatidan iborat. Geliy eng past kritik temperaturali (T_kr=5,2K, R_kr=0,23 MPa) moddadir. Uni qattiq holatga faqat 2,5 MPa bosimdan katta bosimlarda o‘tkazish mumkin. T–p holat diagrammasi 1-rasmda keltirilgan. He-I ni He -II o‘tishi  nuqta deb ataluvchi o‘tish temperaturasi T_ bosimga bog‘liq bo‘lib, to‘yingan bu bosimi 5,1 kPa dan 3,04 mPa gacha ortganda T_ mos holda 2,17 K dan 1,78 K gacha o‘zgaradi.
Gelii-I ham o‘zini taxminan past temperaturalarda suyultirilgan boshqa gazlardek (masalan, vodorod, neon va boshqalar) tutadi. Uning issiqlik o‘tkazuvchanligi katta emas [4mJ/(K^.m^.s)] yopishqoqligi esa kichik, lekin noldan farqli. He-II issiqlik o‘tkazuvchanligi nihoyat darajada ulkan. U He-I ning issiqlik o‘tkazuvchanligidan bir necha million marta ortiq. He-II ning yopishqoqlik xossalari judayam g‘alatidir. Bir tomondan u o‘taoquvchan xossasiga ega, ya’ni u ingichka tirqish va kapilyarlarda xuddi yopishqoqli nolp bo‘lgan suyuqlikdek o‘tadi. Boshqa tomondan tajribalar ko‘rsatadiki, u noldan farqli yopishqoqlikka ega; T_ temperaturaga yaqin temperaturada diskning erkin aylanma tebranishi, u He-I da yoki He-II da joylashganidan qat’iy nazar bir xilda so‘nadi.
2. L.D.Landau (1941) o‘taoquvchanlik nazariyasini ishlab chiqdi, bu nazariyaga ko‘ra He-II bir-birini ichiga kiruvchi ikki suyuqlik yiindisidan iborat: normalp va o‘taoquvchan. O‘taoquvchan tashkil etuvchi energiya ko‘chirishda qatnashmaydi, tor tirqish va kapilyarlarga erkin kirib, ishqalanishsiz harakatlanadi. He-II ning normal tashkil etuvchisi yopishqoqlikka ega va energiya olib o‘tishda ishtiroq etadi. Normal va o‘taoquvchan tashkil etuvcxilar orasidagi munosabat temperaturaga bog‘liq: T=0 K temperaturada hamma He-II faqat o‘taoquvchan tashkil etuvchidan, temperatura T= T_ bo‘lganda esa faqat normal tashkil etuvchidan tarkib topgan bo‘ladi. Temperatura T< T_ bo‘lganda He-II ning har ikki tashkil etuvchisi ham mavjud bo‘ladi va ular bir-biriga bog‘liq bo‘lmagan holda harakatlanadilar.
Landau nazariyasi He-II ning ko‘pgina o‘ziga xos xossalarini tushuntirishga imkon berdi. He-II ning o‘taoquvchanligi tor tirqish va kapilyar orqali faqat uning ishqalanishsiz harakatlanuvchi o‘taoquvchan tashkil etuvchisini o‘tadi va normal tashkil etuvchisini esa yopishqoqlik kuchlari tufayli ulardan deyarli o‘tmaydi. Bunday vaqtda diskning suyuq He-II dagi erkin aylanma tebranishlari He-II ning normal tashkil etuvchisidagi ichki ishqalanish kuchlari hisobiga so‘nib qoladi.
He-II ning ulkan issiqlik o‘tkazuvchanligi, unda bir vaqtning o‘zida bir-birini kompenasiyalovchi normal va o‘taoquvchan oqimlarning borligi bilan izohlanadi. Normal tashkil etuvchisi temperaturaning kamayish yo‘nalishda, o‘taoquvchani esa teskari yo‘nalishda harakatlanadi. He-II A idishdan B idishga kapilyar trubka orqali oqib o‘tishda mexanmonokalorik effekt kuzatiladi, ya’ni A idishning temperatura ortadi, B idishniki esa pasayadi. Bu hodisaning sababi shundaki, A idishdan B idishga kapilyar orqali He-II ning energiya olib o‘tmaydigan o‘taoquvchan tashkil etuvchisi oqib o‘tadi. Shuning uchun A idishda qolgan geliyning hamma ichki energiyasi kichik massada taqsimlangani uchun bu idishdagi temperaturaning oshishiga olib keladi. Aksincha, B idishdagi geliyni massasi ortadi, temperaturasi esa mos holda pasayadi.
Lendau nazariyasi He-II da V.P. Peshkov tomonidan (1944) eksperimental topilgan ikkinchi tovushning bo‘lishini oldinda bashorat qilishga imkon berdi. Muhitda zichlik va bosimning tebranishi bilan tarqaluvchi odatdagi tovushdan farqli ravishda, ikkinchi tovush, He-II da uning normalp tashkil etuvchisi zichligini va mos holda uning temperaturasini tebranishidan iborat.
3. He-II ning o‘taoquvchanligi haqidagi hozirgi zamonning ba’zi asosiy tushunchalarini ko‘ramiz. Dastavval shuni aytish kerakki, faqat kvant nazariyasi nima sababdan juda past temperaturada va normalp bosimda aynan geliy yagona muzlamaydigan suyuqlik ekanini tushuntirib berdi. Kvant nazariyasi klassik tasavvurlardan farqli o‘laroq mumkin bo‘lgan har qanday past temperaturada ham moddada (T=0 K temperaturada ham) atom va molekulalarning “nolp” tebranishi mavjud bo‘ladi. Unga moddadan olib bo‘lmaydigan “nolp energiya” mos keladi. Modda 0K yaqinida suyuq yoki qattiq holatda bo‘ladimi, degan savolga beriladigan javob, kristall panjara hosil qilishga olib keluvchi molekulalararo tortishish kuchi bilan uni hosil bo‘lishga monelik qiluvchi nolp tebranishni qaysi birlari asosiy rolp o‘ynashiga bog‘liq.
Geliyda atomlar orasidagi o‘zaro ta’sir kuchlari juda kuchsiz, “nolp tebranish” esa geliy atomlarining yengilligi tufayli juda jadal. Shuning uchun odatdagi bosimda geliyda kristall panjara hosil bo‘lmaydi va u muzlamaydi. Juda past temperaturalarda geliydagi issiqlik harakat, qandaydir elementar “issiqlik qo‘zalishlarning” to‘plamidan iborat, deb qaraladi. Kvant nazariyada issiqlik qo‘zalishlar energiyasi faqat porsiyalar-kvantlar bilan o‘zgarishi isbotlangan.
He-II 0 K dan qandaydir kichik temperaturagacha isitish, unda “elementar qo‘zalishni” paydo bo‘lishiga olib kelishi kerak. Bu qo‘zalishni paydo bo‘lishi, suyuqlikdagi ichki energiya zaxirasi va unda ishqalanishning borligi bilan bog‘liq.
Suyuq He-II ning normal qismi, elementar issiqlik qo‘zalishi hosil bo‘ladigan suyuqlikning qismini ifodalaydi. Ammo geliydagi elementar qo‘zalishni energiya va impulsning saqlanish qonuniga asosan mufassal ko‘rib o‘tishdan, elementar qo‘zarish paydo bo‘lmaydigan He-II ning holati bo‘lishi mumkinligi kelib chiqadi. Bu holatga geliyning o‘taoquvchan qismi mos keladi. He-II ning o‘taoquvchan qismi zarralari bir-biri bilan juda kuchli ta’sirlashadi va baozan kondensat deb ataluvchi bolangan kollektiv hosil qilishi ma’lum bo‘ldi. He-II ning o‘taoquvchan qismida zarralarni o‘zaro kuchli ta’sirlashi tufayli issiqlik “qo‘zalishi” paydo bo‘lmaydi va geliyning bu qismi ichki energiya zaxirasiga ega emas. 0K da, “elementar qo‘zalish” bo‘lmaganda hamma He-II o‘taoquvchan bo‘ladi va uning normalp tashkil etuvchisi qatnashmaydi. Temperatura ortishi bilan “qo‘zallishlar” soni o‘sadi va He-II da uning normalp qismining ulushi ortadi. Ammo T_ temperaturagacha He-II o‘taoquvchan qismi barcha o‘ziga xos xossalari bilan saqlanadi