هواء سائل

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الهواء السائل هو هواء تم تبريده إلى درجات حرارة منخفضة جدًا ( درجات حرارة منخفضة للغاية )، بحيث تكثف إلى سائل أزرق باهت متحرك. [ 1 ] يُخزن في حاويات خاصة، مثل القوارير المفرغة من الهواء ، لعزله عن درجة حرارة الغرفة . يتميز الهواء السائل بقدرته على امتصاص الحرارة بسرعة والعودة إلى حالته الغازية. يُستخدم غالبًا لتكثيف مواد أخرى وتحويلها إلى سائل و/أو تجميدها، وكمصدر صناعي للنيتروجين والأكسجين والأرجون وغيرها من الغازات الخاملة من خلال عملية تُسمى فصل الهواء (وتُعرف صناعيًا باسم تقطير الهواء).

ملكيات

تبلغ كثافة الهواء السائل حوالي 870 كجم/م³ ( 870 جم/لتر ؛ 0.87 جم / سم³ ) . وتختلف كثافة عينة الهواء باختلاف تركيبها (مثل الرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون ). وبما أن الهواء الغازي الجاف يحتوي على حوالي 78% نيتروجين، و 21% أكسجين، و1% أرجون ، فإن كثافة الهواء السائل عند التركيب القياسي تُحسب بنسبة المكونات وكثافتها السائلة (انظر النيتروجين السائل والأكسجين السائل ). وعلى الرغم من احتواء الهواء على كميات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون (حوالي 0.0425%)، إلا أن ثاني أكسيد الكربون يتجمد من الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة، وبالتالي لا يوجد في الهواء السائل عند ضغوط أقل من 5.1 ضغط جوي (520 كيلو باسكال ) .     

تبلغ درجة غليان الهواء 78.80 كلفن (-194.35 درجة مئوية؛ -317.83 درجة فهرنهايت) ، وهي درجة حرارة متوسطة بين درجتي غليان النيتروجين السائل والأكسجين السائل . مع ذلك، قد يصعب الحفاظ على درجة حرارة ثابتة أثناء غليان السائل، إذ يتبخر النيتروجين أولًا، تاركًا الخليط غنيًا بالأكسجين ومغيرًا درجة الغليان. وقد يحدث هذا أيضًا في بعض الحالات نتيجة تكثف الأكسجين من الغلاف الجوي بفعل الهواء السائل. [ 2 ] : 36   

يبدأ الهواء السائل بالتجمد عند حوالي 60 كلفن (-213.2 درجة مئوية؛ -351.7 درجة فهرنهايت) ، مُرسبًا مادة صلبة غنية بالنيتروجين (مع وجود كمية ملحوظة من الأكسجين في المحلول الصلب). ما لم يكن الأكسجين قد تم استيعابه مسبقًا في المحلول الصلب، فإن المزيج المتجانس يتجمد عند 50 كلفن (-223.2 درجة مئوية؛ -369.7 درجة فهرنهايت) . [ 3 ]      

تحضير

مبدأ الإنتاج

كانت مكونات الهواء تُعرف سابقًا باسم "الغازات الدائمة" لأنها لم تكن قابلة للإسالة بمجرد الضغط عند درجة حرارة الغرفة. ترفع عملية الضغط درجة حرارة الغاز، وتُزال هذه الحرارة بتبريده إلى درجة حرارة الغرفة في مبادل حراري، ثم يتمدد عن طريق تصريفه إلى حجرة. يُخفض التمدد درجة الحرارة، ومن خلال التبادل الحراري مع الهواء المتمدد، يبرد الهواء المضغوط الداخل إلى جهاز التمدد بشكل أكبر. مع كفاية الضغط والتدفق وإزالة الحرارة، تتشكل قطرات من الهواء السائل، والتي يمكن استخدامها مباشرةً في التجارب التي تتطلب درجات حرارة منخفضة.

تمكن العالمان البولنديان كارول أولسزيفسكي وزيغمونت فروبليفسكي من تسييل المكونات الرئيسية للهواء لأول مرة في عام 1883.

عملية الإنتاج

تُعدّ دورة هامبسون-ليند ذات العمودين، التي تعتمد على تأثير جول-طومسون ، الطريقة الأكثر شيوعًا لتحضير الهواء السائل . يُضخ الهواء بضغط عالٍ (> 75 ضغط جوي (7600 كيلو باسكال ؛ 1100 رطل لكل بوصة مربعة ) ) إلى العمود السفلي، حيث يُفصل إلى نيتروجين نقي وسائل غني بالأكسجين. يُضخ السائل الغني وجزء من النيتروجين كتدفق ارتدادي إلى العمود العلوي، الذي يعمل بضغط منخفض (< 25 ضغط جوي (2500 كيلو باسكال؛ 370 رطل لكل بوصة مربعة) )، حيث تتم عملية الفصل النهائية إلى نيتروجين وأكسجين نقيين. يمكن سحب منتج الأرجون الخام من منتصف العمود العلوي لمزيد من التنقية. [ 4 ]      

يمكن أيضًا تسييل الهواء عن طريق عملية كلود ، التي تجمع بين التبريد بواسطة تأثير جول-طومسون ، والتمدد المتساوي الإنتروبيا، والتبريد التجديدي. [ 5 ]

طلب

في عمليات التصنيع، يُفصل الهواء السائل عادةً إلى غازاته المكونة له، إما في صورة سائلة أو غازية، حيث يُعد الأكسجين مفيدًا بشكل خاص في لحام وقطع الغازات المستخدمة في الوقود، وفي التطبيقات الطبية، بينما يُستخدم الأرجون كغاز واقٍ مانع للأكسجين في لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل . أما النيتروجين السائل ، فيُستخدم في تطبيقات درجات الحرارة المنخفضة المختلفة، فهو غير متفاعل في درجات الحرارة العادية (على عكس الأكسجين)، ويغلي عند 77 كلفن (-196 درجة مئوية؛ -321 درجة فهرنهايت) .   

النقل وتخزين الطاقة

بين عامي 1899 و 1902، أنتجت شركة Liquid Air Power and Automobile Co. وعرضت سيارة تسمى Liquid Air ، والتي زعمت الشركة أنها تستطيع السير لمسافة مائة ميل باستخدام الهواء السائل.

في 2 أكتوبر 2012، أعلنت مؤسسة المهندسين الميكانيكيين أنه يمكن استخدام الهواء السائل لتخزين الطاقة. واستند هذا إلى تقنية طورها بيتر ديرمان، وهو مخترع من هيرتفوردشاير ، إنجلترا، لتشغيل المركبات. [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ باباج (15 أكتوبر 2012). "محرك الفرق: نهاية السيارة الكهربائية؟" . مجلة الإيكونوميست . تم الاطلاع عليه في 21 أكتوبر 2012 .
  2. ↑ أرماريجو، دبليو إل إف؛ بيرين، دي دي (16 أكتوبر 1996). تنقية المواد الكيميائية المختبرية ( الطبعة الرابعة). باتروورث-هاينمان . ISBN  978-0750628396. إل سي سي إن 97109714 . او سي ال سي 762966259 . رأ 722457م .   
  3. ↑ كوشنبرغر، توماس م.؛ غروهمان، ستيفن؛ أولريش، لوثار ر. (2015). "تقييم نظام تبريد مختلط ثنائي المراحل لتبريد الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية تحت 60 كلفن" . وقائع الفيزياء . 67 : 227-232 . Bibcode : 2015PhPro..67..227K . doi : 10.1016/j.phpro.2015.06.039 .
  4. ↑ «إسالة الهواء، "ليندي إير"، التقطير: دخول أسواق جديدة بنتائج بحثية جديدة» . مجموعة ليندي . مؤرشف من الأصل في 27 سبتمبر 2007. تم الاطلاع عليه في 9 أغسطس 2007 .
  5. ↑ "التبريد والتسييل" (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 28-12-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-01-2020 .
  6. ↑ "الهواء السائل 'يقدم أملاً في تخزين الطاقة'"" . بي بي سي نيوز . 2012-10-02.