она занимает («энергия» последнего слагаемого выделяется в виде работы при изменении объёма системы)

F = U – TS -изохорно-изотермический потенциал используется при анализе термодинамических процессов, Дж

G = H – TS – изобарно – изотермический потенциал при изменении температуры и давления.

Первое начало термодинамики является следствием всеобщего закона сохранения энергии в нерелятивистских системах для рассмотрения термомеханических систем.

Изменение энергии системы за некоторое время равно

алгебраической сумме подведённых к системе теплоты и работы.

1) ∆Закрытая= + система∆ = +

или

2) ∆Открытая= + система∆ = +

или

Правило знаков, используемое в низкотемпературной технике для первого начала термодинамики:

Работа положительна, если совершается над системой, работа отрицательна если совершается системой.

Теплота положительна, если она подводится к системе, теплота отрицательна если она отводится от системы.

2)Откачка паров кипящей жидкости, основные отношения и способы реализации. Применение метода откачки, температруная стратификация при откачке.

Рисунок 110. Адиабатная откачка паров.

В результате работы ВН (вакуумный насос) давление в

ёмкости с жидкостью уменьшается, и температура жидкости становится равной температуре насыщения при данном давлении.

С помощью откачки получают T вплоть до тройной точки.=

0,4Откачка… 0,7Кявляется основным процессом для получения

. Рабочее вещество – гелий.

Для определения зависимости величины понижения температуры от массы испарившейся жидкости воспользуемся уравнением сохранения энергии, принимая следующие допущения:

1)процесс откачки является равновесным, т.е. T жидкости во всём объёме в данный момент времени одинакова

2)в процессе откачки нет уноса капель жидкости вместе с откачкой паров

3)T жидкости в любой момент времени равна T откачиваемого пара

4)температура внутренней стенки криостата, где находятся жидкость, равна температуре жидкости

Количество теплоты, необходимое для испарения части жидкости,

затрачивается на охлаждение жидкости, внутренней стенки и

∆ :– = (

−

0,5∆)

∆ +

+

компенсацию теплопритока из окружающей среды.

∆

н

ст ст

о.с.

масса испарившейся жидкости;

н

– начальная масса жидкости;

окружающей

ст

о.с.

–

– теплота испарения жидкости;

– теплоёмкость жидкости;

масса

стенки;

– теплоёмкость стенки

;

– теплоприток из ст

∆ , т.е.

, , ст

н … к к

= н −

среды

Величины

берутся в интервале температур

осредняются.

Рисунок 111. Откачка паров.

( н − 0,5∆ ) + ст ст

Процесс откачки часто применяется при транспортировке и хранении криогенных жидкостей. После заполнения< ёмкости криогенной жидкостью, её откачивают до давления атм. В процессе перевозки за счёт теплопритоков происходит нагрев жидкости и кипение; и давление жидкости растёт. Основная проблема в процессе откачки – температурная стратификация.

Рисунок 112. Стратификация.

3) Особенности ожижения неона,водорода и гелия.

Для ожижения гелия могут быть использованы разнообразные системы.

Как и в случае ожижения неона и водорода, для ожижения гелия может быть использована система Линде-Хэмпсона.

система Линде-Хэмпсона

с предварительным охлаждением жидким азотом и жидким водородом.

Система Капицы в которой используется азотная ванна и гелевый поршневой детандер, заменяющий водородную ванну.

Система Симона Гелиевая система ожижения Коллинза (1947). Этот ожижительявляется развитиемсистемы Клода.Взависимости от входногодавления гелия может использоваться от двух до пяти детандеров. Время охлаждения ожижителя Коллинза снижается от 4 до 2 часов при использовании предварительного охлаждения жидким азотом, который к этом уже увеличивает ожижительную эффективность системы (выход жидкости можно увеличить почти втрое).

Для ожижения неона и водорода используются следующие системы с предварительным охлаждением.

Система Линде – Хэмпсона с предварительным охлаждением жидким азотом. В принципе по температурным характеристикам могут использованы: фтор, кислород, воздух, метан, аргон и азот. Но первые четыре взрывоопасны, аргон дорог, намного дороже жидкого азота.

Система Клода может быть использована, но для повышения эффективности установки целесообразно включать предохлаждение жидким азотом перед дополнительным криогенным модулем детандерного типа.

В системе ожижения неона или водорода может быть использована вспомогательная система с гелиевым рефрижератором.

Гелиевый рефрижератор представляет собой модернизированный цикл Клода. В котором газ не ожижается, но имеет температуру ниже жидкого водорода. Гелий сжимается, предварительно охлаждается в азотной ванне и расширяется в детандере для получения низкой температуры.

ВодородОбычный водородпри нормальных условиях имеет две модификации: ортоводород и параводород. Эти двемодификации различаютсянаправлением спина.

При нормальных условия доля ортоводорода 75 %, параводорода– 25%, при понижении температуры до 20 К доля параводорода растёт до 99,8 %.

ПроцессО то-параидётконверсияс выделением. теплоты(706 кДж/кг при температуре менее70 К),что больше теплоты испарения.

Потерижидкоговодорода: 18 %за первыесутки, 40 %через 100 часов.

Поэтому при ожижении водорода всостав ожижителя входит орто- пара конверторнаплатиновых катализаторах, вкоторых теплота орто-пара конверсии снимаетсятеплотой испаренияжидкого водорода, охлаждающего конвертор.