Archiwa tagu: w niskich temperaturach

#35 Lewitacja w polu magnetycznym

Share

Jedną z charakterystycznych właściwości metali jest ich zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, której miarą jest opór elektryczny. Ze względu na ten parametr substancje można klasyfikować jako (Atkins, 2004):

  • Izolatory – substancje o dużym oporze elektrycznym, które nie przewodzą elektryczności.
  • Przewodniki metaliczne – substancje przewodzące prąd, a ich opór zwiększa się wraz z temperaturą.
  • Nadprzewodniki – substancje, które wykazują zerowy opór w niskich temperaturach.

W tym doświadczeniu wykorzystano właściwości nadprzewodników. Substancje te można podzielić na dwa rodzaje:

  • Nadprzewodniki niskotemperaturowe dla których temperatura krytyczna (Tc), czyli temperatura poniżej której obserwowane jest nadprzewodnictwo, jest bliska 0 K. Substancje te stosowane były do około 1987, jednak ich wykorzystanie było niezwykle kosztowne.
  • Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, których opór elektryczny zanika w temperaturze około 100 K.

W zaprezentowanym doświadczeniu wykorzystano nadprzewodniki wysokotemperaturowe, a efekt nadprzewodnictwa uzyskano dzięki chłodzeniu ciekłym azotem. Ciekły azot ma temperaturą poniżej 77 K, przez co pozwala schłodzić większość nadprzewodników wysokotemperaturowych poniżej temperatury krytycznej. Z chemicznego punktu widzenia nadprzewodniki wysokotemperaturowe to materiały ceramiczne stanowiące mieszaniny tlenków metali. Materiał przedstawiony na filmie to stop tlenków baru, miedzi i itru o wzorze sumarycznym YBa2Cu3O7. Poniżej przedstawiono wykres, który prezentuje zależność oporu tego materiału od temperatury:

wykres_lewitacjaWykres 1. Zależność oporu od temperatury nadprzewodnika YBa2Cu3O7 (http://www.superconductors.org)

Po ochłodzeniu nadprzewodnika do temperatury krytycznej wzbudzany jest prąd elektryczny nawet bez przyłożonej różnicy potencjałów. W momencie pojawienia się prądu pole magnetyczne zawarte w powierzchniowej warstwie nadprzewodnika zostaje wypchnięte na zewnątrz. Siła ta jest w stanie utrzymać magnes stacjonarny, a my obserwujemy zjawisko lewitacji. Zjawisko to nazywane jest Efektem Meissnera i jest wykorzystywane do odróżnienia przewodników o niskim oporze elektrycznym od nadprzewodników.

Materiały nadprzewodzące i zjawisko lewitacji może być wykorzystane m.in. do budowy kolei magnetycznej, łożysk, silników i innych układów w których brak tarcia między magnesem, a nadprzewodnikiem poprawia w znacznym stopniu wartość użytkową układu.

Literatura

Atkins, P. i Jones, L. (2004). Chemia ogólna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

 

© 2016, www.ChemVlog.pl.

Share

#31 Punkt potrójny i zamarzanie ciekłego azotu

Share

Fazą termodynamiczną nazywamy fragment układu o jednolitych właściwościach fizycznych. Dla substancji chemicznych fazę możemy utożsamiać ze stanem skupienia. Standardowo wyróżniamy trzy stany skupienia: gaz, ciecz i ciało stałe, choć poza typowymi fazami istnieje jeszcze plazma, szkło rotacyjne, fazy ciekłokrystaliczne i inne (Atkins, 2007).

Substancja może istnieć w danej fazie w pewnym zakresie ciśnienia i temperatury. Przemiany pomiędzy fazami mogą zatem zachodzić pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Zakresy tych parametrów w których różne fazy są termodynamicznie trwałe oraz parametry przemian fazowych obrazuje diagram fazowy (Atkins, 2007). Na diagramie obszary równowagi pomiędzy dwoma fazami widoczne są jako linie. W miejscu przecięcia linii znajduje się tak zwany punkt potrójny. W temperaturze i ciśnieniu określonym przez ten punkt wszystkie trzy stany skupienia są w równowadze przez co możemy zaobserwować wrzenie i krzepnięcie substancji w tym samym czasie. Poniżej przedstawiamy diagram fazowy azotu.

wykres-fazowy-azotuRys. 1. Diagram fazowy azotu (www.wolframalpha.com)

Na diagramie widoczny jest również punkt krytyczny. Punkt ten określa temperaturę krytyczną, czyli temperaturę powyżej której nie da się skroplić substancji, niezależnie od wartości ciśnienia.

Celem naszego doświadczenia było pokazanie właściwości substancji w punkcie potrójnym. W pierwszym przypadku wykorzystaliśmy 2-metyloproan-ol (alkohol tert-butylowy). Dzięki pompie próżniowej o wysokiej wydajności gwałtownie obniżyliśmy ciśnienie w kolcie. Alkohol prawie natychmiast zaczął wrzeć. Po chwili wrzenie ustało, a ciecz zaczęła zamarzać. W tym momencie wyłączyliśmy pompę. Układ dąży do osiągnięcia równowagi między powstałym ciałem stałym, cieczą i znajdującym się w kolbie gazem. Ponieważ pompa usunęła większość gazu z kolby, układ dąży do zwiększenia ilości gazu i zaczyna gwałtownie wrzeć.

W podobny sposób można spowodować zamarznięcie ciekłego azotu. Również w tym przypadku udało nam się doprowadzić układ do stanu w którym ciekły azot jednocześnie zamarza i wrze. Ponieważ temperatura punktu potrójnego dla azotu to -210 oC, (dla alkoholu tert-butylowego ok. 25 oC) (The National Institute of Standards and Technology (NIST)) po wyłączeniu pompy azot bardzo szybko paruje podnosząc ciśnienie w układzie i stały azot szybko się topi.

Dziękujemy doktorowi Pawłowi Stelmachowskiemu z Grupy Chemii Powierzchni i Materiałów WCh UJ za użyczenie pompy próżniowej.

Literatura:

Atkins, P. W. (2007). Chamia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

NIST: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C75650&Mask=4 dostęp online z dn. 29.10.2015.

http://www.wolframalpha.com/input/?i=nitrogen+phase+diagram

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#11 Właściwości ciekłego tlenu

Share

Tlen to bezbarwny, bezwonny gaz, stanowiący ok. 21% objętości powietrza. Występuje głównie w postaci cząsteczek dwuatomowych O2. Tlen skrapla się w temperaturze -182,96 oC tworząc bladoniebieską ciecz.

Do otrzymania ciekłego tlenu można wykorzystać ciekły azot. Temperatura wrzenia azotu wynosi -195,80 oC, dlatego w jego obecności tlen ulega skropleniu. Ciekły azot, należy umieścić w naczyniu z materiału dobrze przewodzącym ciepło (np. w metalowej puszce). Na ściankach puszki tlen ulega skropleniu, a dodatkowo osadza się zamarznięta woda i dwutlenek węgla, co doskonale widać na filmie.

Wysycenie substancji ciekłym tlenem znacznie ułatwia i przyspiesza przebieg reakcji spalania. W przypadku papierosa czy waty bawełnianej proces zachodził wręcz wybuchowo. Ciekły tlen wraz z ciekłym wodorem są wykorzystywane jako paliwo rakietowe.

Tlen wykazuje właściwości paramagnetyczne (Atkins i Jones, 2004). W uproszczeniu można powiedzieć, że zachowuje się jak magnes (McNaught i Wilkinson, 2005). Właściwość ta wynika z obecności dwóch niesparowanych elektronów w cząsteczce tlenu (Rys. 1).

Rys. 1. Schemat orbitali molekularnych cząsteczki O2

Gęstość ciekłego tlenu wynosi 1,14 g/cm3, ciekłego azotu 0,81 g/cm3, a wody 1,00 g/cm3 (Mizerski, 2013). Z tego powodu ciekły tlen wlany do cylindra z wodą opada na dno, a ciekły azot utrzymuje się na powierzchni wody.

Literatura:

Atkins, P. i Jones, L. (2004). Chemia ogólna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

McNaught, A. D., Wilkinson, A. IUPAC Compendium of Chemical Terminology – Gold Book, 2 red., Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997.

Mizerski, W. (2013). Tablice chemiczne. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan.

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share