Helio líquido (4,2 K) sellado, luego elevado a temperatura inferior a LOX (~70 K): ¿cuál es la nueva presión?

En esta pregunta se discuten las grandes diferencias de temperatura entre el helio-4 líquido, el oxígeno líquido subenfriado (sub-LOX) y el queroseno frío (RP-1). Las temperaturas aproximadas son 4.2K , ~70K también aquí y ~286K respectivamente.

La siguiente pregunta está relacionada con esto, pero no necesariamente se basa en diseños o planes de SpaceX.

El diagrama de fase para helio-4 ( 4 Él) se muestra a continuación. Hay más discusión útil aquí y aquí .

Por encima de su punto crítico de 5,2 K , el helio-4 se convierte en un fluido supercrítico en el que ya no se aplica la distinción entre líquido y gas, por lo que "ebullición hasta alcanzar el equilibrio" no es la forma correcta de pensar por encima de 5,2 K. Si lo cierras a presión ambiente a 4,2K, llegará a 2,24 atmósferas a 5,19K .

Pregunta: Pero si continúa calentando este tanque sellado y muy fuerte hasta 90 K (LOX a presión ambiental) o incluso ~70 K (LOX subenfriado), ¿cuál sería la presión de helio ahora?

nota 1: ese es un fluido supercrítico por encima de 5.2K, que no debe confundirse con superfluido .

nota 2: dado que poner tanques de helio-4 dentro de tanques de LOX se ha convertido en una tecnología crítica en la exploración espacial, esta pregunta en particular, lo que realmente sucede, aún debe considerarse como tema aquí.

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arriba x2: diagramas de fase de helio-4 de aquí .

Hmm, para los tanques criogénicos supercríticos (O2 y H2) en el transbordador, teníamos curvas que mostraban la presión frente a la temperatura. Pero no sé cómo generar un gráfico de este tipo para un fluido determinado.
@OrganicMarble No tengo ni idea de por dónde empezar aquí, cualquier cosa más allá de la ley del gas ideal está "por encima de mi nivel salarial". No me di cuenta de que el transbordador tenía tanques de fluidos supercríticos, ¡eso parece algo sobre lo que debería leer más!
Los reactivos de las pilas de combustible se almacenaron como fluidos supercríticos y su presión se controló mediante calentadores. Información aquí: spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/orbiter/eps/…
@OrganicMarble 781 libras de oxígeno - wow, esa es una batería bastante grande :)
En su misión final, el Columbia tenía un palet en la bahía de carga con 4 juegos de tanques de O2/H2 más además de los 5 debajo de la bahía de carga. ¡Es una batería realmente grande!

Respuestas (1)

No necesitamos mirar el diagrama de fase aquí, porque no importa en qué camino lleguemos a un cierto punto final. Podemos suponer con seguridad que calentamos el helio a presión constante y luego encogemos su volumen nuevamente.

La densidad del helio líquido que hierve a 1 atm de presión es de 0,125 gramo / C metro 3 . La densidad del helio gaseoso a 273 K es 0,18 metro gramo / C metro 3 . Por lo tanto, tendrá un volumen de 700 veces o, si el volumen es una restricción, una presión de 700 bar. A la temperatura de LOX, es decir, 70 K, podemos tratar al helio como un gas perfecto que se comporta según la ley de los gases ideales en una primera aproximación. Eso es, pags V / T = C o norte s t . Entonces, la presión será un factor T L o X / 273 k = 0.26 más bajo. Un volumen de helio líquido sellado y calentado a 70 K estará a una presión de 180 bar.

Esto solo es cierto si podemos suponer que el helio todavía se comporta como un gas ideal incluso a una presión de 18 MPa. Esta desviación se puede encontrar en el factor de compresibilidad y se ha medido (ver, por ejemplo, SW Van Sciver, Helium Cryogenics, Apéndice 1). Este factor es de aproximadamente 1,2 a 1,3 en nuestras condiciones, por lo que la presión real será de aproximadamente 230 bar.

Hmm... Toda la razón por la que hice la pregunta aquí es porque estaba convencido de que a una densidad numérica tan alta y con el estado descrito con mayor precisión como un fluido supercrítico que como un gas ideal , las suposiciones detrás de la ley del gas ideal no serían ya no ser válido ¿Puede dar alguna información de apoyo que diga que se sabe que es válido aquí? ¡Gracias!
Tiene razón, estamos justo en el borde donde la desviación de un gas ideal se vuelve importante. Agregaré un párrafo
¡Muchas gracias! Bien, esa presión parece estar al alcance de un tanque realista, bien diseñado y fabricado. Tengo esta pregunta sobre física, pero hasta ahora ni siquiera un bocado.
Helio líquido (4,2 K) sellado, luego elevado a temperatura inferior a LOX (~70 K): ¿cuál es la nueva presión?
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