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氦氣是如果被液化的？
2018-3-10 14:05:11
氦氣液化的基礎(chǔ)
3.1 范德瓦爾斯（J.D.Van de Waals）方程1866年范德瓦爾斯在“液態(tài)和氣態(tài)的連續(xù)性”的論文中提出了包含氣態(tài)和液態(tài)的“物態(tài)方程”，論證了氣態(tài)和液態(tài)能以連續(xù)性的方式互相轉(zhuǎn)變，指出所有氣體都存在著臨界溫度，這成為將來(lái)所有氣體液化的理論指導(dǎo)。范德瓦爾斯還提出分子不但占有體積而且相互之間有作用力。1880年范德瓦爾斯又提出了“對(duì)應(yīng)態(tài)定律”，用這個(gè)定律就可用一個(gè)方程描寫所有氣體的行為。在范德瓦爾斯對(duì)應(yīng)態(tài)定律的指導(dǎo)下，杜（Sir James Dewar）于1898年液化了氫氣，卡墨林-翁納斯于1908年液化了氦氣。
3.2 杜瓦對(duì)低溫學(xué)的貢獻(xiàn)非常重要，他不但在1898年首先液化了氫氣，是氫液化和固化（對(duì)液氫減壓降溫）的開拓者，而且于1892年發(fā)明了雙層鍍銀玻璃中間抽真空的低溫容器，成為此類低溫容器的鼻祖，他在低溫科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)是氦氣液化必不可少的重要支持。
3.3 工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步在科學(xué)上的所有進(jìn)展都離不開當(dāng)時(shí)工業(yè)技術(shù)的支撐。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初那段時(shí)期工業(yè)和技術(shù)已經(jīng)為科學(xué)的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)奠定了物質(zhì)和技術(shù)的基礎(chǔ)。氧氣和空氣的液化、空氣低溫分離、小型液空裝置等不斷面世（見圖5），這不但為氦液化提供了預(yù)冷源，更重要的是為氦液化提供了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。氦氣當(dāng)時(shí)是通過(guò)加熱獨(dú)居石（磷鈰鑭礦石）的方法獲得的，每克磷鈰鑭礦石中大約含1cm3-2cm3的氦氣。卡墨林-翁納斯做實(shí)驗(yàn)時(shí)液化系統(tǒng)中共用了200L（常溫、常壓下）的氦氣。
4、卡墨林-翁納斯的貢獻(xiàn)
4.1 理論儲(chǔ)備1882年卡墨林-翁納斯被任命為萊登大學(xué)物理系實(shí)驗(yàn)物理的主任并開始籌建低溫物理實(shí)驗(yàn)室，他在與范德瓦爾斯合作進(jìn)行氣體和液體性質(zhì)的系統(tǒng)研究中獲得了靈感，領(lǐng)會(huì)了物質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)的本質(zhì)聯(lián)系。
4.2 杰出的科技組織者卡墨林-翁納斯不但是一位杰出的科學(xué)家、也是有開拓眼光的科學(xué)技術(shù)的管理者，他采取開發(fā)政策，1885年在心的雜志（萊登大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室通訊）上詳細(xì)地公布實(shí)驗(yàn)室全部結(jié)果、所有實(shí)驗(yàn)裝置的細(xì)節(jié)和技術(shù)的進(jìn)展，歡迎世界各國(guó)的人士來(lái)訪、學(xué)習(xí)交流和討論。這樣他建立了廣泛的學(xué)術(shù)聯(lián)系，獲得了大量的信息。
4.3 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合卡墨林-翁納斯是把研究-教育-產(chǎn)業(yè)三者之間建立互動(dòng)的先行者。1890年他建立了萊登儀器工學(xué)校，對(duì)學(xué)員進(jìn)行儀表制造和玻璃裝置燒制的培訓(xùn)，完成學(xué)業(yè)后有的在他的實(shí)驗(yàn)室作技工，有的自立組建公司，為四言詩(shī)提供了所需的各種設(shè)備和玻璃容器。
4.4 建立設(shè)備卡墨林-翁納斯領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室為了滿足低溫研究的需要，1892年建造了每小時(shí)14L的空氣液化裝置，在1906年具有了每小時(shí)液化4L的氫氣的能力，并用減壓液氫的方法獲得了14K的低溫，為液化氦打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。卡墨林-翁納斯在液化氦氣的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，后來(lái)居上在1908年7月10日獲得了世界上第1滴液氦，連同1911年他第一個(gè)發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)電性，卡墨林-翁納斯開創(chuàng)了液氦溫區(qū)和超導(dǎo)的新領(lǐng)域。萊登實(shí)驗(yàn)室的第一臺(tái)氦液化器，這是最簡(jiǎn)單的高壓節(jié)流制冷循環(huán)。C是壓縮機(jī)，1、2、3分別是3個(gè)不同溫度級(jí)的逆流式熱交換器。高壓氦氣經(jīng)過(guò)熱交換器1降溫后再被減壓的液氫冷卻，然后在熱交換器2中繼續(xù)降溫后再被減壓的液氫冷卻，再在熱交換器3中進(jìn)一步降溫，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥完成等焓膨脹，進(jìn)入氦的氣液兩相區(qū)，氣液分離后獲得液氦，其余的氣氦從3個(gè)熱交換器的低壓路流出、與高壓氦氣進(jìn)行熱量交換后，回到壓縮機(jī)繼續(xù)循環(huán)，產(chǎn)量為每小時(shí)250mL。
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