Wprowadzenie

              Ciekły azot jest najpowszechniej używaną cieczą kriogeniczną. Azot został skroplony po raz pierwszy w Krakowie w 1883 r. przez profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego Z. Wróblewskiego i K. Olszewskiego. Obecnie znajduje szerokie zastosowanie w nauce i technice. W Polsce produkcja ciekłego azotu wynosi wiele tysięcy ton rocznie.

              Diagram fazowy azotu, czyli obszar występowania faz : stałej, ciekłej i gazowej w funkcji ciśnienia i temperatury, przedstawia rys. 1. Pod ciśnieniem atmosferycznym azot wrze w temperaturze Tw =77,3 K, a krystalizuje w ciało stałe w temperaturze topnienia Tt=63,1 K. Wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury aż do osiągnięcia punktu krytycznego K, przy którym zanika różnica między cieczą i gazem..

p

pK

K

Ciecz

Ciało  stałe

p0

pP

Gaz

TK

TW

TT »TP

TS

T

Obniżanie ciśnienia przez odpompowanie par powoduje obniżenie temperatury wrzenia aż do osiągnięcia punktu potrójnego P, w którym wszystkie stany skupienia mogą koegzystować w stanie równowagi. Pewną osobliwością stałego azotu jest występowanie dwóch faz krystalicznych, różniących się rodzajem struktury. Zarówno gazowy azot, jak ciekły i obie fazy stałe zbudowane są z cząsteczek  N2. Podstawowe własności fizyczne azotu zostały zebrane w tabeli 1.

Wszystkie przemiany fazowe zachodzące na linii granic fazowych (wrzenie, topnienie, sublimacja, zmiana struktury) stanowią przykład nieciągłych przejść fazowych, zwanych też przejściami I rodzaju.

              Nieciągłe przejście fazowe charakteryzuje się tym, że podstawowe funkcje termodynamiczne: energia wewnętrzna i entropia zmieniają się skokowo przy przejściu od fazy do fazy. Różnica energii wewnętrznych obydwu faz stanowi utajone ciepło przemiany (np. ciepło topnienia, parowanie itp.).

              Przeciwieństwem nieciągłych przemian fazowych są przemiany ciągłe, których przykładami mogą być przejścia: ferromagnetyk - paramagnetyk, względnie: metal normalny - nadprzewodnik. W przypadku przejść ciągłych utajone ciepło przemiany nie występuje.

              Zastosowanie praw termodynamiki do przejścia nieciągłego prowadzi do ważnego równania Clausiusa- Clapeyrona

gdzie: dT/dp - nachylenie stycznej do granicy między fazowej na wykresie,

           T - temperatura przejścia,

           DV= V1-V2 - różnica objętości obydwu faz,

           Q - utajone ciepło przemiany

Własności fizyczne azotu

Równanie Clausiusa- Clapeyron pozwala wyznaczyć ciepło przemiany bez potrzeby wykonywania pomiarów kalorymetrycznych. Wartości dT/dp, T, DV należy oczywiście ustalić dla konkretnego punktu na granicy fazowej, np. dla temperatury wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym.

              Sumaryczny dopływ ciepła do kriostatu wypełnionego skroplonym gazem nosi nazwę mocy strat cieplnych PS. Pod wpływem mocy strat PS następuje ciągły ubytek cieczy z kriostatu na skutek parowania. Ubytek masy m1 w czasie t1 wynika z równości:

   m1*Q=PS*t1

              Jeżeli za pomocą opornika doprowadzimy do kriostatu dodatkową moc cieplną PZ, np. przez podgrzewanie prądem niewielkiego opornika, to szybkość ulatniania się azotu wzrośnie:

m2*Q=(PS+PZ)t2

              Z układu tych równań można wyznaczyć niewiadome ciepło parowania Q i moc strat cieplnych. Wystarczy w tym celu zmierzyć czasy potrzebne do wyparowania określonej masy m azotu bez grzejnika t1 i z włączonym grzejnikiem t2.

Przebieg doświadczenia i opracowanie wyników

       Wyznaczenie zależności temperatury wrzenia od ciśnienia.Po podłączeniu układu pomiarowego przystąpiliśmy do wykonywania pomiarów oporu.

              Korzystając z tabeli cechowania termopary wyrażono uzyskane odczyty woltomierza w kelwinach [K]. Poniższa tabelka zawiera wartości temperatur zależne od ciśnienia. Zależność tą przedstawia dołączony wykres  p(T). Seria 1 przedstawia temperaturę wrzenia przy obniżaniu ciśnienia od 1973 do 109,1 hPa. Natomiast seria druga przedstawia temperaturę wrzenia przy podwyższaniu ciśnienia od panującego w pracowni 992 hPa do 1972 hPa. Ponieważ seria 1 i 2  prawie się pokrywają więc można sądzić, że doświadczenie zostało wykonane prawidłowo.