Kaasujen nesteytyminen
Pasi Saukkonen
Ilma on useamman kaasun seos, joten missä lämpötilassa normaali ilma
muuttuu nesteeksi? Voiko sen laskea jollakin tavalla suoraan kaasujen
suhteista?
Entä jos otamme yhden kuutiometrin vetoisen tiiviin astian, jonka
sisällä on normaalipaineista ilmaa. Astiaa jäähdytetään ja saavutetaan
-273 astetta celsiusta. Miten käy astiassa olevalle ilmalle? Onko astian
pohjalla pieni lätäkkö nestemäistä ilmaa vai onko ilma edelleen kaasuna?
Jos tällaista nestemäistä kaasua olisi litran verran ja se upotettaisiin
suolattomaan veteen (+20 astetta) eristetyssä säiliössä, mitä tapahtuisi
kun säiliö poistettaisiin? Kaasuuntuisiko koko litra vai jäisikö osa
vangiksi itse jäädyttämänsä jääkuution sisään?
- Pasi -
Kim Fallstrom
>
> Ilma on useamman kaasun seos, joten missä lämpötilassa normaali ilma
> muuttuu nesteeksi? Voiko sen laskea jollakin tavalla suoraan kaasujen
> suhteista?
Ei helposti.
Kun pudotat lämpötilaa niin kaasut alkavat muuttaa olomuotoaan
kiehumislämpötilansa mukaan. Hiilidioksidi kiinteytyy -56.6 C:ssa,
happi nesteytyy -183 C:ssa, argon -185.9 C:ssä ja typpi vasta
-195.8 C:ssa. Typpi ja happi jäätyvät vasta jossakin -210 asteen
korvilla, joten nesteilma on nestehapen ja nestetypen seos.
Hitaasti lämpenevästä nesteilmasta haihtuu ensin typpi ja jäljelle
jääneessä litkussa nestemäistä happea voi olla vaarallisen paljon.
> Entä jos otamme yhden kuutiometrin vetoisen tiiviin astian, jonka
> sisällä on normaalipaineista ilmaa. Astiaa jäähdytetään ja saavutetaan
> -273 astetta celsiusta. Miten käy astiassa olevalle ilmalle? Onko astian
> pohjalla pieni lätäkkö nestemäistä ilmaa vai onko ilma edelleen kaasuna?
Absoluuttinen nollapiste olisi -273.15 C eli nolla kelviniä. Lämpötilassa
0.15 K ilma on kiinteää ainetta eli huurteena astian seinällä. Aineilla
on lämpötilasta voimakkaasti riippuva höyrynpaine. Tarpeeksi matalassa
lämpötilassa höyrynpaine on niin pieni, että astiassa on käytännössä
tyhjiö. Näin toimii mm. kryopumppu, jossa jäähdytyskoneen avulla tuotetaan
tiukkaa tyhjiötä jäädyttämällä kammiosta kaasut pumpun pintaan.
> Jos tällaista nestemäistä kaasua olisi litran verran ja se upotettaisiin
> suolattomaan veteen (+20 astetta) eristetyssä säiliössä, mitä tapahtuisi
> kun säiliö poistettaisiin? Kaasuuntuisiko koko litra vai jäisikö osa
> vangiksi itse jäädyttämänsä jääkuution sisään?
Kaasuuntuisi koko litra. Hetken aikaa kävisi melkoinen porina ja
pieniä jääroiskeita voisi syntyä. Lopputuloksena olisi vesisäiliön
pinnalla komea usva. Muista, että kaasun tilavuus on samanmassaisen
nesteen tilavuuteen verrattuna järkyttävän suuri.
Jääkuution tekeminen nesteilmalla ei oikein onnistu. Vesi laajenee
jäätyessään, joten nopea jäädyttäminen tuottaa lähinnä jäämurskaa.
Kim
Pasi Saukkonen
Vielä muutama tarkennus olisi paikallaan.
Kim Fallstrom wrote:
>
> Pasi Saukkonen wrote:
> >
> > Ilma on useamman kaasun seos, joten missä lämpötilassa normaali ilma
> > muuttuu nesteeksi? Voiko sen laskea jollakin tavalla suoraan kaasujen
> > suhteista?
>
> Ei helposti.
>
> Kun pudotat lämpötilaa niin kaasut alkavat muuttaa olomuotoaan
> kiehumislämpötilansa mukaan. Hiilidioksidi kiinteytyy -56.6 C:ssa,
> happi nesteytyy -183 C:ssa, argon -185.9 C:ssä ja typpi vasta
> -195.8 C:ssa. Typpi ja happi jäätyvät vasta jossakin -210 asteen
> korvilla, joten nesteilma on nestehapen ja nestetypen seos.
Typen ja hapen seoksen jäätymispiste on siis alempi kuin kummankaan
kaasun oma jäätymispiste? Näin maalaisjärjen avulla ajateltuna kaasut
ovat keskenään suloisena sekamelskana eivätkä yhdisteenä. Muistelisin
kouluajoilta, että eri aineista muodostetut yhdisteet ovat
ominaisuuksiltaan poikkeavia verrattuna alkuperäisiin aineisiin. Tuossa
ylempänä oli jo mainittu hiilidioksidi, jonka kiinteytyminen tapahtuu
suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Sillä ei tainnut olla nestemäistä
olomuotoa lainkaan?
>
> Hitaasti lämpenevästä nesteilmasta haihtuu ensin typpi ja jäljelle
> jääneessä litkussa nestemäistä happea voi olla vaarallisen paljon.
Käytetäänkö tätä missään apuna eroteltaessa kaasuja toisistaan,
mahdolliset kaasuanalyysit tms. esimerkiksi?
>
> > Entä jos otamme yhden kuutiometrin vetoisen tiiviin astian, jonka
> > sisällä on normaalipaineista ilmaa. Astiaa jäähdytetään ja saavutetaan
> > -273 astetta celsiusta. Miten käy astiassa olevalle ilmalle? Onko astian
> > pohjalla pieni lätäkkö nestemäistä ilmaa vai onko ilma edelleen kaasuna?
>
> Absoluuttinen nollapiste olisi -273.15 C eli nolla kelviniä. Lämpötilassa
> 0.15 K ilma on kiinteää ainetta eli huurteena astian seinällä. Aineilla
> on lämpötilasta voimakkaasti riippuva höyrynpaine. Tarpeeksi matalassa
> lämpötilassa höyrynpaine on niin pieni, että astiassa on käytännössä
> tyhjiö. Näin toimii mm. kryopumppu, jossa jäähdytyskoneen avulla tuotetaan
> tiukkaa tyhjiötä jäädyttämällä kammiosta kaasut pumpun pintaan.
Luiskahti tuo lämpötila absoluuttiseen nollapisteeseen. Saisivat
Otaniemen pojat ottaa mallia, kuinka helposti se onnistuu! ;)
Luonnollisesti tuossa lämpötilassa ei paljon liikettä tapahdu. Mutta
ilmeisesti tuo kaasu tiivistyy ensin nesteeksi astian seinämiin ja
kiinteytyy sitten aivan samalla lailla kun ilmassa oleva kosteus auton
ikkunaan tai vastaavaan.
Tuosta tiivistymisestä heräsi vielä kysymys. Heliumilla (muistaakseni)
on erittäin alhaisissa lämpötiloissa erityisiä ominaisuuksia mm.
viskositeetti häviää kokonaan. Valuuko tällainen nestepisara astian
seinämiltä painovoiman vaikutuksesta alaspäin vain pysyykö se seinämissä
pintajännityksen tai vastaavan ansiosta paikallaan?
>
> > Jos tällaista nestemäistä kaasua olisi litran verran ja se upotettaisiin
> > suolattomaan veteen (+20 astetta) eristetyssä säiliössä, mitä tapahtuisi
> > kun säiliö poistettaisiin? Kaasuuntuisiko koko litra vai jäisikö osa
> > vangiksi itse jäädyttämänsä jääkuution sisään?
>
> Kaasuuntuisi koko litra. Hetken aikaa kävisi melkoinen porina ja
> pieniä jääroiskeita voisi syntyä. Lopputuloksena olisi vesisäiliön
> pinnalla komea usva. Muista, että kaasun tilavuus on samanmassaisen
> nesteen tilavuuteen verrattuna järkyttävän suuri.
Jos meillä olisi litra nestemäistä kaasua joka lämmitettäisiin +20
asteeseen celsiusta, paljonko siitä tulisi kaasua litroissa?
>
> Jääkuution tekeminen nesteilmalla ei oikein onnistu. Vesi laajenee
> jäätyessään, joten nopea jäädyttäminen tuottaa lähinnä jäämurskaa.
>
> Kim
- Pasi -
Sampsa Jaatinen
> > happi nesteytyy -183 C:ssa, argon -185.9 C:ssä ja typpi vasta
> > -195.8 C:ssa. Typpi ja happi jäätyvät vasta jossakin -210 asteen
> > korvilla, joten nesteilma on nestehapen ja nestetypen seos.
>
> Typen ja hapen seoksen jäätymispiste on siis alempi kuin kummankaan
> kaasun oma jäätymispiste? Näin maalaisjärjen avulla ajateltuna kaasut
Ei kun tuossa näyttää olevan nesteytymislämpötila, ja sitten yhdisteen
kiinteytymislämpötila.
> Luiskahti tuo lämpötila absoluuttiseen nollapisteeseen. Saisivat
No jäihän se 0.15 kelviniä nollan yläpuolelle, joten ei hätää. Kyllä ne
otaniemen pojat ja tytöt vielä hieman kylmempiin pääsee.
> Tuosta tiivistymisestä heräsi vielä kysymys. Heliumilla (muistaakseni)
> on erittäin alhaisissa lämpötiloissa erityisiä ominaisuuksia mm.
> viskositeetti häviää kokonaan. Valuuko tällainen nestepisara astian
> seinämiltä painovoiman vaikutuksesta alaspäin vain pysyykö se seinämissä
> pintajännityksen tai vastaavan ansiosta paikallaan?
Tuon suprajuoksenva heliumin ominaisuuksista en juuri muuten osaa sanoa, mutta
katso faasidiagrammia sivuilta: http://boojum.hut.fi/research/theory/he3.html
Kannattaa huomata, että paineen ja lämpötilan lisäksi esimerkiksi
magneettikenttä vaikuttaa tuon 3He tilaan.
-sampsa
Kim Fallstrom
> > Kun pudotat lämpötilaa niin kaasut alkavat muuttaa olomuotoaan
> > kiehumislämpötilansa mukaan. Hiilidioksidi kiinteytyy -56.6 C:ssa,
> > happi nesteytyy -183 C:ssa, argon -185.9 C:ssä ja typpi vasta
> > -195.8 C:ssa. Typpi ja happi jäätyvät vasta jossakin -210 asteen
> > korvilla, joten nesteilma on nestehapen ja nestetypen seos.
>
> Typen ja hapen seoksen jäätymispiste on siis alempi kuin kummankaan
> kaasun oma jäätymispiste?
Ei, vaan kummallakin kaasulla on kohtuullisen leveä lämpötila-
alue, jolla ovat nestemäisiä. En tiedä nesteilman jäätymispistettä
enkä sitä, onko tämän seoksen jäätymispiste komponenttien
jäätymispisteitä kylmemmässä lämpötilassa. Voi löytyä verkosta.
[Hiilidioksidista]
> Sillä ei tainnut olla nestemäistä olomuotoa lainkaan?
Kyllä sekin muuttuu nesteeksi, mutta paineen on oltava
riittävän suuri (taisi olla kymmeniä ilmakehiä)
> > Hitaasti lämpenevästä nesteilmasta haihtuu ensin typpi ja jäljelle
> > jääneessä litkussa nestemäistä happea voi olla vaarallisen paljon.
>
> Käytetäänkö tätä missään apuna eroteltaessa kaasuja toisistaan,
> mahdolliset kaasuanalyysit tms. esimerkiksi?
On käytetty esimerkiksi hapen puhdistamiseen.
> Tuosta tiivistymisestä heräsi vielä kysymys. Heliumilla (muistaakseni)
> on erittäin alhaisissa lämpötiloissa erityisiä ominaisuuksia mm.
> viskositeetti häviää kokonaan. Valuuko tällainen nestepisara astian
> seinämiltä painovoiman vaikutuksesta alaspäin vain pysyykö se seinämissä
> pintajännityksen tai vastaavan ansiosta paikallaan?
Hakusanaksi "superfluid". Verkosta löytyy runsaasti infoa.
> Jos meillä olisi litra nestemäistä kaasua joka lämmitettäisiin +20
> asteeseen celsiusta, paljonko siitä tulisi kaasua litroissa?
NTP:ssä ( 0 C) yksi mooli kaasua on 22.4 litraa. Hapen mooli-
massa on 2*16=32 g/mol, typen 2*14 = 28 g/mol. Nesteilman
tiheys on noin 0.9 kg/l. Siinä on siis noin 30 moolia kaasua
per kilo eli siitä tulee 22.4*30 eli likimain 660 litraa kaasua
ilmakehän paineessa nollan C lämpötilassa.
Kim
Tero Kontkanen
> Tuosta tiivistymisestä heräsi vielä kysymys. Heliumilla (muistaakseni)
> on erittäin alhaisissa lämpötiloissa erityisiä ominaisuuksia mm.
> viskositeetti häviää kokonaan. Valuuko tällainen nestepisara astian
> seinämiltä painovoiman vaikutuksesta alaspäin vain pysyykö se seinämissä
> pintajännityksen tai vastaavan ansiosta paikallaan?
Joskus fysiikan opettaja runoili, että astiassa oleva nestemäinen helium
"ryömii" astiasta seinämiä pitkin ulos :)
--
Tero