Плотность воздуха при 0 °C равна 1,29 кг/м³, а плотность жидкого воздуха при -194 °C равна 960 кг/м³. Как объяснить такое различие плотностей? Как получают жидкий воздух?

Плотность жидкого воздуха примерно в 744 раза больше, чем плотность воздуха при 0 °C:

Такое большое различие объясняется прежде всего разным агрегатным состоянием вещества.

В газообразном воздухе молекулы азота, кислорода, аргона и других газов находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. Основная часть объёма газа представляет собой свободное пространство между молекулами. Поэтому в одном кубическом метре обычного воздуха содержится относительно небольшая масса вещества.

При охлаждении движение молекул замедляется. Когда температура становится достаточно низкой, силы притяжения между молекулами уже могут удерживать их рядом друг с другом, и воздух конденсируется — переходит из газообразного состояния в жидкое. В жидкости молекулы располагаются гораздо плотнее, свободного пространства между ними значительно меньше. Поэтому тот же объём содержит намного больше молекул и, следовательно, имеет значительно большую массу.

Одного охлаждения газа без его сжижения было бы недостаточно для такого увеличения плотности. При постоянном давлении плотность газа приблизительно обратно пропорциональна абсолютной температуре. Если охладить воздух от 0 °C, то есть от 273 К, до −194 °C, то есть примерно до 79 К, его плотность в газообразном состоянии увеличилась бы лишь примерно в 3,5 раза. Увеличение плотности в сотни раз происходит именно из-за перехода воздуха в жидкое состояние.

Жидкий воздух получают с помощью последовательного сжатия, охлаждения и расширения воздуха. Сначала атмосферный воздух очищают от пыли, водяного пара и углекислого газа. Это необходимо, потому что вода и углекислый газ при сильном охлаждении замёрзли бы и могли закупорить аппаратуру.

Затем воздух сжимают компрессором. При сжатии он нагревается, поэтому после компрессора его охлаждают, отводя выделившееся тепло. После этого сжатый и охлаждённый воздух заставляют расширяться. При расширении его температура понижается. Холодный расширившийся воздух используют для предварительного охлаждения новых порций сжатого воздуха в теплообменнике.

Такой процесс многократно повторяется: воздух сжимают, охлаждают, расширяют и снова используют полученный холод. Постепенно температура становится настолько низкой, что компоненты воздуха начинают конденсироваться. Поскольку воздух является смесью газов, он не имеет одной строго определённой температуры кипения. Основные его компоненты сжижаются при близких, но разных температурах: кислород кипит примерно при −183 °C, а азот — примерно при −196 °C. Поэтому при температуре около −194 °C значительная часть воздуха находится в жидком состоянии.

После сжижения жидкий воздух можно разделить на компоненты методом фракционной перегонки. Азот, имеющий более низкую температуру кипения, испаряется раньше, а кислород остаётся в жидкости дольше. Так в промышленности получают жидкие и газообразные азот, кислород и аргон.