怎么才能把气体变成液体

科普中国网 2017-09-21

　　作者：罗二仓

　　1853年9月21日，荷兰著名的低温物理学家昂内斯出生于格罗宁根。昂内斯制出了接近绝对温标的低温，成功进行了氢气的液化；1908年他成功地使氦气液化。那么，他说如何把气体变成液体的呢？来看一下吧！

　　热量不会自动地从低温物体向高温物体传递，因此，要获得比自然环境温度低的环境就需要通过人工的办法。

　　低温的获得与气体的液化是密切相关的。18世纪末荷兰人范·马鲁姆第一次靠高压压缩方法将氨液化。1823年法拉第在研究氯化物的性质时，发现玻璃管的冷端出现液滴，经过研究证明这是液态氯（液化温度-34.6℃）。1826年他把玻璃管的冷端浸入冷却剂中，从而陆续液化了多种气体。以此为基础，形成了普通制冷技术，如冰箱和空调机组以蒸汽压缩节流制冷为主，利用气体或者液体压缩为高压状态，然后放热，再膨胀为低压状态而产生制冷降温效应，这种方法可以获得−150℃～−80℃的低温。

　　但此后几十年间，氧、氮、氢等气体毫无液化的迹象，许多科学家认为，这些就是真正的“永久气体”。但它们真的是永远不能液化吗？答案是否定的。只要低于一定的温度，就可以把气体转化为液体。1877年，氧实现了液化，6年后除氢和氦之外的所有“永久气体”都被液化了。1892年英国人杜瓦发明了低温恒温器杜瓦瓶，并在1898年实现了氢的液化，达到20.4开的温度，接着又用抽出氢表面的蒸气的方法实现了氢的固化，达到了12开。至此，只剩下最后一种“永久气体”氦还没有被液化！

　　氢的液化为氦的液化创造了条件。低温的获得当时主要采用液体蒸发和节流膨胀。要获得更低温度，往往需要多级复叠系统获得，这在物理学原理上是可能的，但在实践中却存在许多技术问题。设计者必须考虑各种物理问题和解决这些问题所需的技术装备，很多仪器都需要自己制造，甚至开始时连电力都需要自己来解决。荷兰莱顿大学的物理学家昂内斯以极大的精力改善了实验室装备，在1908年通过采用压缩氮气节流预冷氢、氢压缩节流预冷氦，最终用压缩节流的方法将氦液化，获得了4.2开的低温。至此，自然界所有的气体都可以被液化了！