Nr. 1/2003


Füüsika
Kuidas õhku veeldada

Pealkirjas esitatud probleem võib tunduda sama tark kui soov rauast kulda saada. Nii see siiski pole - õhu veeldamise all mõeldakse mitte õhu muutmist veeks, vaid õhu vedelaks tegemist.

Täpsemalt - küsimus on selles, kuidas kõiki neid gaase, mis kokku õhu moodustavad, vedelikeks muuta. Veeldamine pole paraku ainus protsess, millele eestikeelse nime valimisel piisavalt mõeldud pole. Et õhu koostises leidub mitmeid gaase, võib õhust eraldada mitut vedelikku. Aga kuidas? Kodustes tingimustes kõike paraku teha ei saagi.

Joonis 1. Gaasi rõhu muutumine kokkusurumisel. Iga joon kujutab rõhu muutumist ühel kindlal temperatuuril.Horisont
Vaatleme joonist 1, kus on kujutatud ühe gaasi, näiteks süsihappegaasi, rõhu muutumist kokkusurumisel. Seega alustame joonise parempoolsest osast ja liigume pilguga vasakule.

Millest need graafikud räägivad? Esiteks. Miks on neid mitu? Sellepärast, et kokkusurutava gaasi temperatuur võib olla erinev. Mida kõrgemal graafik joonisel asetseb, seda soojem on gaas. Teiseks. Mida allapoole tulla, seda suurema jõnksu graafik teeb. Alumistel joontel on üks osa sirge. Seega püsib seal rõhk muutumatu. Miks? Sest just seal toimub gaasi muundumine vedelikuks. Miks rõhk ikkagi ei suurene? Asi on selles, et mida kõvemini suruda, seda rohkem gaasi muundub vedelikuks. Aur (aga mis üks gaas muud on kui hõre aur) on seal küllastunud olekus. On hästi teda, et igasse liitrisse õhku saab salvestada vaid kindla koguse veeauru. Surud kokku - nii kui ruumala väheneb, muutub n-ö ülearune veeaur veeks. Miks peaks siis rõhk suurenema?
Kolmandaks. Vasakul pool sirget teeb graafik järsu tõusu. See ütleb, et väiksel ruumala vähenemisel suureneb rõhk järsult. Põhjus on selles, et kogu gaas on muutunud vedelikuks. Eks püüa vett kokku suruda! Neljandaks. Joonise keskel on üks punkt, mida nimetatakse kriitiliseks punktiks. Sellest kõrgemal olevatel graafikutel sirge osa puudub, sellest allpool olevatel graafikutel on sirge osa olemas. Seejuures - mida madalam temperatuur, seda pikem see sirge osa on. Joonisele on tõmmatud sirgete osade otsi ühendav kõver. Selle all esineb aine küllastunud auruna ja vedelikuna. Kriitilises punktis endas pole aurul ja vedelikul mingit vahet, ülalpool kriitilist punkti esineb aine aga gaasilises olekus ehk küllastumata auruna.

Vaatlemegi kriitilist punkti lähemalt. See kujutab gaasi kriitilist olekut. Gaasi olek on teatavasti määratud tema ruumala, rõhu ja temperatuuriga. Erinevate ruumalade saavutamine pole probleem. Aga millised on kriitilised rõhud ja temperatuurid?
Alustame veeaurust, mille veeldamisel tõepoolest vett saab. Kui veeauru kõvasti kokku pressida, saab temast vedelat vett isegi 374-kraadise kuuma käes. Selleks tuleks teda 226-kordselt kokku suruda. Aga nende pingutuste järele pole vajadust. Õhus leiduv veeaur muutub jahtumisel uduks iseenesest, ilma kokku surumata. Sest mida jahedam on, seda aeglasemalt molekulid liiguvad ja seda rohkem on molekulidevahelistel jõududel aega vee molekule piiskadeks kokku koguda.
Süsihappegaasi vedelaks muutmisel pole samuti raskusi. Toatemperatuuril saab teda vedelaks muuta juba 60-atmosfäärisel rõhul.
Hapnikuga ja lämmastikuga on palju rohkem tegemist. Sest kui gaasi temperatuur on kõrgem kui antud aine kriitiline temperatuur, ei saagi seda vedelikuks muuta, ükskõik millist survet avaldada. Tuleb jahutada vähemalt kriitilise temperatuurini. Need aga on kõvad külmakraadid.

Õhus leiduvat hapnikku on ka ise võimalik vedelaks muuta ja seda me koolis ka igal aastal vähemalt korra tehakse.
Katseks on vaja vedelat lämmastikku, mida on täiesti võimalik hankida, tühja kilekotti ja nõud, kuhu kilekott ära mahub. Vedelat lämmastikku tuleb hoida lahtises nõus, sest see keeb temperatuuril -196 -C. Kinnises anumas läheks rõhk nii suureks, et see lõhkeks. Nüüd on vaja kilekotti puhuda õhku ja kotile sõlm peale teha. Seejärel tuleb vedelat lämmastikku nõusse kallata ja õhku täis kilekott vedela lämmastiku sisse toetuma asetada. Järgnev on seda väärt, et järele proovida. Kõigepealt hakkab kilekott kokku tõmbuma, sest jahtumisel kotis oleva õhu rõhk väheneb ja väljaspool kotti olev õhk surub ta kokku. Peagi hakkab koti sisse valget lund tekkima, mis on tegelikult tahke süsihappegaas. See tekib siis, kui kotis on temperatuur langenud -78,5 kraadini, mis on süsihappegaasi tahkumistemperatuur. Edasisel jahtumisel hakkab tekib koti sisse ka vedelikku. Esialgu hapnikku, peagi veel lämmastikku. Millistel temperatuuridel? Tabelist nähtub, et suure surve all (kriitilistel rõhkudel) tekiks vedelat hapnikku 119, lämmastikku 147 kraadise pakase käes. Et me aga survet ei avaldanud, saame hapnikku -183, lämmastikku aga -196 kraadistel temperatuuridel, sest gaas muundub vedelaks samal temperatuuril, kui ta vedelas olekus soojendamisel keema läheb.

Kuidas tööstuslikult õhu veeldamine käib? Ühe seadme skeem on joonisel 2.

Joonis 2. Õhu veeldamise seade.Horisont
Kompressoris A üles liikuv kolb surub õhu kokku, kusjuures rõhk suureneb mõnekümne atmosfäärini ja seejuures kuumeneb. Jahutamiseks suunatakse see kõigepealt läbi külma voolavasse vette paigutatud torustiku C. Seejärel liigub õhk, mis on juba jahedam, kuid ikkagi suure rõhu all, silindrisse B, kus ta paisub ja lükkab kolbi paremale. Et õhk teeb tööd oma siseenergia arvel, siis ta jahtub veelgi. Temperatuur langeb alla kriitilise ning tekkinud vedel õhk voolab anumasse D.

MART KUURME (1948) on Tallinna Reaalkooli füüsikaõpetaja. Pedagoogikamagister.



Mart Kuurme