Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH ₂ , LH2, LH ₂ ) — жидкое агрегатное состояние водорода , с низкой плотностью − 0,07 г / см³ , и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K (−259,14 ° C ) и точкой кипения 20,28 K (−252,87 °C ) . Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном 4—75 %. Спиновое составляет: 99,79 % — параводород ; 0,21 % — ортоводород . водорода при смене агрегатного состояния на газообразное при комнатной температуре составляет 848:1.

Как и для любого другого газа , сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве криогенного ракетного топлива ).

История

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом , Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году , Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак , американский изобретатель первым разработал холодильный компрессор в 1805 году , первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году , Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году , Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона » и регенеративного охлаждения в 1876 году . В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K , критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K . Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара . Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен и в 1929 году .

Спиновые изомеры водорода

Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового изомера , ортоводорода . После производства жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать спонтанной экзотермической реакции его превращения, приводящей к сильному самопроизвольному испарению полученного жидкого водорода. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов , как оксид железа , оксид хрома , активированный уголь , покрытых платиной асбестов , редкоземельных металлов или путём использования урановых или никелевых добавок .

Использование

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов . Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например или ). Благодаря близости конструкций, создатели техники на жидком водороде могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ (СПГ). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа . Если жидкий водород используется вместо СПГ в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.

Преимущества

Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода , но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.

Препятствия

Один литр жидкого водорода весит всего 0,07 кг . То есть его удельная плотность составляет 70,99 г / л при 20 K . Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду , но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день ). При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом (« ») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определенные трудности при хранении.

Ракетное топливо

Жидкий водород является распространенным компонентом ракетного топлива , которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов . В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде, он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя, перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги . Используемые современные двигатели на компонентах H ₂ /O ₂ потребляют переобогащенную водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счет уменьшения молекулярного веса , это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания .

Такие препятствия использования ЖВ в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель (« Дельта-4 »), которая целиком является водородной ракетой. В основном ЖВ используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамерзшей формы ЖВ.

Водород с разными окислителями

Данные приводятся на основании таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных « JANAF » ( англ. J oint A rmy N avy A ir F orce , « Сборник ВМС и ВВС армии США »), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией « Рокетдайн ». При этом делались предположения, что имеет место адиабатическое сгорание, изоэнтропийное расширение в одном направлении и имеет место смещение равновесного состояния. Кроме варианта использования водорода в качестве топлива, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела , что объясняется его небольшим молекулярным весом . Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания (« КС »), равного 68,05 атмосфер . Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода .

при этом « V _e » является той же единицей, что и удельный импульс , но приведена к размерности скорости [ Н * сек / кг ], а « C* » вычисляется путём умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на массовый расход топлива и окислителя, что дает приращение скорости на единицу массы.

Опасность

Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание ЖВ на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку легких.

См. также

• Криогеника
• Водород
• Топливо
• Ракетное топливо

Примечания

Ссылки

• (недоступная ссылка) , Водородная (недоступная ссылка)