Idrogeno liquido

L' idrogeno liquido è il diidrogeno raffreddato sotto del punto di rugiada, è 20.28  gradi Kelvin ( -252,87  ° C ) a pressione atmosferica ( 101 325  Pa ). Quindi ha una densità di 70,973 kg / m 3 .

Viene generalmente indicato con l'acronimo LH2 per applicazioni astronautiche . Si tratta infatti di uno dei combustibili liquidi più utilizzati al decollo, ad esempio dallo space shuttle americano , dal lanciatore Delta IV o dal lanciatore Ariane 5 .

Liquefazione del diidrogeno

Il chimico e fisico scozzese James Dewar fu il primo a riuscire, nel 1899, a liquefare l'idrogeno, combinando il raffreddamento meccanico del gas con l' espansione adiabatica . Il suo processo è stato migliorato da un altro chimico e fisico, il francese Georges Claude , per dare quello che è stato chiamato dal ciclo di Claude  :

Un altro processo, il ciclo Brayton , utilizza elio liquido (l'unico gas che si liquefa a una temperatura inferiore a quella del diidrogeno ) miscelato con argon (per aumentarne il peso molecolare medio in modo da renderlo termodinamicamente più efficiente nelle fasi di raffreddamento a compressione).

L'energia teorica di liquefazione dell'idrogeno (funzionamento ideale) è di circa 14  MJ / kg dalla pressione atmosferica, cioè sedici volte di più che per liquefare una massa equivalente di diazoto .

Densità dell'idrogeno liquido

Confronto con idrocarburi liquidi

La densità dell'idrogeno liquido è bassa per cui il numero di atomi di idrogeno contenuti in un dato volume di idrogeno liquido è inferiore rispetto al caso di alcuni idrocarburi liquidi. Il calore di combustione di un dato volume di idrogeno liquido è inferiore a quello dello stesso volume di questi idrocarburi.

Dimostrazione Densità dell'idrogeno liquido = 70,973 kg / m 3 . Numero di moli di H in 1 m 3 di liquido H 2 = 70,973 • 1000 / 1,00794 = 70 414 mol / m 3 . Densità di ottano (C 8 H 18 ) = 700 kg / m 3 . Massa molare di ottano = 114,2285 g / mol. Numero di moli di ottano per metro cubo = 700 • 1000 / 114,2285 = 6 128,07 mol / m 3 . Numero di moli di idrogeno per metro cubo di ottano = 6.128,07 • 18 = 110.305 mol / m 3 . Calore specifico di combustione di ottano = 5115,95 / 114,2285 = 44,787 kJ / g di ottano. Calore di combustione per mole di idrogeno in ottano = 5 115,95 / 18 = 284,219 kJ / mol di idrogeno (in ottano). Calore di formazione dell'acqua = 285,8 kJ / mol di acqua. Calore di combustione dell'idrogeno liquido = 285,8 / 18,01528 = 13,4236 kJ / g di acqua formata. Calore di combustione dell'idrogeno liquido per mole di idrogeno = 285,8 / 2 = 120,915 kJ / mol di idrogeno liquido. La combustione di 1 m 3 di ottano rilascia: 6,128,07 • 5,115,95 = 31,351 × 10 6  kJ / m 3 . La combustione di 1 m 3 di idrogeno liquido rilascia: 70 414 • 120,915 = 10,062 × 10 6  kJ / m 3 . Calore di combustione di ottano con ossigeno = 5 115,95 / (114,2285 + 25 • 15,9994) = 9,949 kJ / g di ottano + ossigeno rispetto a 13,4236 kJ / g di idrogeno + ossigeno. Inoltre, si deve tener conto della velocità di espulsione dei gas del motore a razzo , che diminuisce secondo l'inverso della radice quadrata della massa molare del fluido espulso. Tuttavia, la massa molare dell'acqua (18,01528 g / mol) è molto inferiore a quella della CO 2 (44,00954 g / mol).

Compressione di idrogeno gassoso

La densità dell'idrogeno gassoso è di 0,08988 g / L, mentre quella dell'idrogeno liquido raggiunge i 70,9 g / L.

La compressione del gas a 800 atmosfere produce un gas con una densità di 44 g / L.

Isomeria dello spin diidrogeno

La molecola di idrogeno ha due forme allotropiche:

L'ortoidrogeno rappresenta il 75% delle molecole a temperatura ambiente, ma solo lo 0,21% a 20  K , essendo la transizione orto → para esotermica (527  kJ / kg ). Per evitare che si verifichi durante lo stoccaggio, e provochi l'ebollizione di buona parte del gas liquefatto (quasi la metà in dieci giorni se la conversione è consentita naturalmente), eseguiamo fino al 95% dell'orto → conversione para al momento della liquefazione utilizzando catalizzatori come l' ossido di ferro (III) Fe 2 O 3, carbone attivo , amianto platinato, terre rare , composti dell'uranio , ossido di cromo (III) Cr 2 O 3così come alcuni composti di nichel .

Note e riferimenti

  1. Un rapporto sulla scala pratica internazionale della temperatura del 1968 [PDF] , su iupac.org (consultato il 7 settembre 2013)
  2. Fondatore di L ' Air Liquide .
  3. Queste due proposizioni sono vere per un numero abbastanza elevato di idrocarburi liquidi in condizioni normali: butano, ottano, cherosene, ma non per idrocarburi aromatici come il benzene.
  4. Proprietà dell'idrogeno sul sito web del NIST
  5. Ortho → para conversion, slide n o  13- not found 7 settembre 2013 [PDF] , su mae.ufl.edu

Appendici

Articoli Correlati

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