Ученые стремились приблизиться к абсолютному нулю температуры и поддерживать ее длительное время с помощью холодильной машины. Это стремление базировалось на уже известных научных положениях о фазовых превращениях веществ, в том числе и газов.
Процесс превращения работы в теплоту был освоен человеком много веков назад. С помощью работы за счет трения человек научился добывать огонь. Как мы уже знаем, сначала человек покорил огонь, научился готовить пищу на костре и обогревать жилище. А вот с обратным процессом превращения теплоты в работу дело обстояло гораздо сложнее. Только в XVIII в. были созданы машины, преобразующие теплоту в работу (тепловые двигатели), в конце XIX в. человек научился за счет тепла получать холод с помощью холодильных машин. Однако он очень давно сознательно поставил на службу холод. С незапамятных времен люди использовали лед для хранения продуктов в пещерах, ямах и погребах. При изменении температуры свойства веществ изменяются. Так, при температуре T > 100° С вода при обычных условиях существует только в газообразном состоянии. При температуре T < 0°С вода превращается в лед (переходит в твердое состояние). При положительных температурах свойства веществ были изучены довольно глубоко, а при отрицательных — крайне недостаточно. Это обусловлено тем, что положительные температуры легче получить, чем отрицательные. Природа оказалась более щедрой на тепло, чем на холод. Английский ученый Н. Курти писал: «Очень часто пожар возникает даже зимой, но самопроизвольное замерзание водопровода летом воспринималось бы с подозрением или почиталось бы как чудо*. Поэтому не удивительно, что тепловые двигатели были созданы раньше, чем холодильные машины.
Известно, что многие вещества в естественных условиях существуют только в газообразном состоянии. Газы занимают полностью объем того сосуда, в котором находится. Эти сосуды могут иметь очень большие размеры и содержать малую массу газа. Часто в производстве необходимы большие массы газа, сосредоточенные в сосудах малых размеров. Так, в ракетно-космической технике требуется разместить большое количество окислителя для топлива в сосуде (баке) малого размера. В качестве окислителя для топлива применяют кислород. Для хранения большого количества газа при ограниченных размерах сосуда его сильно сжимают. Для удержания больших давлений сосуды делают толстостенными, что приводит к их утяжелению. При выводе космических аппаратов на орбиту каждый лишний килограмм массы требует значительных энергетических затрат. Конструкторы стремятся уменьшить массу двигательной установки, что при прочих равных условиях позволяет увеличить массу полезного груза, выводимого на орбиту.
В современных ядерных энергетических установках требуется интенсивное охлаждение оборудования, находящегося в активной зоне реактора. Для этого не подходят вещества, находящиеся в жидкой фазе при обычных условиях, так как они поглощают мало теплоты из-за их высокой температуры Т0.с. Поэтому используют сжиженные газы, имеющие низкую температуру (например, жидкий азот). Сжиженные газы легче транспортировать любым видом транспорта (выше безопасность). В машиностроении сжиженные газы применяют для охлаждения деталей перед их установкой в отверстия с целью обеспечения надежной фиксации за счет натяга, возникающего в результате их расширения при естественном нагревании (так устанавливаются оси сателлитов танковых планетарных коробок передач, бортовых передач).
Сжижение воздуха используется для разделения его на составные части неон, азот, аргон, кислород и другие. Полученные таким образом газы нашли широкое применение. Так, кислород в смеси с ацетиленом употребляют для сварки и резки металлов. Большое значение имеет кислородное дутье для ускорения металлургических процессов.
Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, азот — в химической промышленности.
Жидкий кислород применяют для производства взрывных работ, при строительстве каналов, метрополитенов и выполнения других работ.
При нахождении вещества в газообразном состоянии его частицы (молекулы, атомы) находятся на большом расстоянии друг от друга. Кинетическая энергия частиц большая, поскольку они находятся на больших расстояниях. Сжимая газ, мы уменьшаем расстояния между его молекулами. Их движение становится более упорядоченным. С другой стороны, уменьшив внутреннюю энергию газа, мы можем тем самым уменьшить скорость его частиц. Их движение также будет становиться более упорядоченным.
Для уменьшения внутренней энергии газа используют его охлаждение (понижение температуры). Нетрудно заметить, что уменьшить скорость частиц газа можно, как путем его сжатия, так и путем охлаждения, или одновременно сжимая и охлаждая его. В газах между молекулами устанавливается дальний порядок взаимодействия. При сжатии молекулы приближаются друг к другу, и между ними устанавливается ближний порядок взаимодействия. Внутренняя упорядоченность газа увеличивается. При определенном давлении и температуре вещество из газообразного состояния может переходить в жидкое или твердое состояние (минуя жидкую фазу). Если в жидкости молекулы более или менее еще движутся хаотически, то в твердых веществах молекулы располагаются в фиксированных положениях относительно своих соседей. Молекулы в твердых веществах почти не имеют кинетической энергии поступательного движения, поскольку они должны оставаться вблизи занимаемых ими мест. Однако они могут обладать колебательной энергией, т. е. могут периодически перемещаться вперед-назад относительно положений, занимаемых ими в кристаллической решетке. Запас колебательной энергии твердого вещества пропорционален его абсолютной температуре, подобно запасу колебательной энергии газа.
Мы уже знаем[16], что переход из газового состояния в жидкое состояние определяется действием сил межмолекулярного притяжения, которые вызывают конденсацию пара. Вместе с тем конденсации препятствует наличие у молекул кинетической энергии, которая заставляет их совершать независимые движения, не давая им «слипаться». Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии молекул. Молекулы будут удаляться друг от друга.
Известно[17], что, сжимая газ при очень низких температурах (например Т0), его можно непосредственно перевести в твердую фазу, минуя жидкую. Сжимая изотермически углекислый газ при температуре Т0, можно получить его в твердом виде (сухой лед), минуя жидкую фазу. Однако при более высоких температурах (2\ и Т2) путем сжатия газ уже нельзя перевести в твердое состояние, минуя жидкую фазу. Сжатие жидкости сопровождается резким возрастанием ее давления (линии идут почти вертикально). Самую высокую температуру[18] Т3, при которой газ еще удается превратить в жидкость (пусть и на мгновение) в результате повышения давления, называют Критической температурой. Критической температуре Ткр (точка) соответствует критическое давление ркр, при котором газ еще может перейти в жидкость. При температурах выше критической (Т2 > Т3 = Ткр) никакое давление не может заставить газ перейти в жидкое состояние. Вместо этого с ростом давления газ становится все плотнее и постепенно приобретает свойства, напоминающие свойства жидкости, однако жидкостью так и не становится.
Часто проводят различие между терминами «газ» и «пар». Вещество, находящееся в газообразном состоянии при температуре ниже критической, называется паром. Если температура выше критической, то мы имеем газ[19].
Таким образом, чтобы газ перевести в жидкое состояние, необходимо его сжимать до требуемых давлений при температуре, ниже критической.
Чем выше температура газа (но ниже критической Ткр), тем большее давление требуется для его перевода в жидкое состояние.
В течение многих лет ученые не могли получить жидкий кислород путем его сильного сжатия. Он был получен лишь тогда, когда поняли, что
его нужно предварительно охладить до температуры, ниже критической (*кР < — 118°С).
Перевод газов в твердое состояние в большинстве случаев нецелесообразен, так как в таком состоянии их поступление в используемые устройства крайне затруднено или вообще невозможно. Так, кислород в твердой фазе невозможно подать в камеру сгорания ракетного двигателя, а твердый азот — к ядерному реактору.
Известно, что для сжижения большинства газов путем их сжатия требуется значительно понижать их температуру до Т < Ткр. Сухой лед получают путем сжатия охлажденной до температуры 200 К (—73°С) двуокиси углерода.
|
Wpe3 = Q |
Некоторые представления о величине работы, которую необходимо совершить для охлаждения газа от 300К до 30К (в 10 раз), можно получить из формулы (8.73), преобразовав ее к следующему виду:
— >Г*~г1 ‘ рез — Ц? гр
Пусть для такого охлаждения (в 10 раз) требуется отвести от газа 2000Дж тепла (энергии в тепловой форме). В этом случае необходимо совершить следующую работу
Wpe3 = 2000[Дж] 30[К|~^[К1 = —1800 Дж= — 18кДж.
Для охлаждения газов до температур, ниже критических, не подходят домашние холодильники. Нужны устройства, позволяющие получать очень низкие температуры, даже близкие к абсолютному нулю. Для глубокого охлаждения газов используют два способа:
• охлаждение газа в результате совершения им работы против внутренних межмолекулярных сил притяжения, т. е. без совершения внешней работы (положительный эффект Джоуля—Томсона).
• охлаждение газа в адиабатном процессе с совершением работы над телами, т. е. с совершением работы против действия внешних сил (газ совершает работу расширения в турбо — или поршневом детандере).
Эффект Джоуля—Томсона практически используется для понижения температуры всего лишь на один порядок (в 10 раз) по сравнению с температурой окружающей среды Тох = 300 К. На практике проявление эффекта Джоуля—Томсона можно наблюдать, проведя следующий эксперимент. Если взять воздушный баллон системы пуска двигателя[20], наполненный сжатым воздухом до давления 15 МПа, и открыть вентиль, то воздух будет выходить из него с большой скоростью, расширяясь на выходе. Воздух проходит через дросселирующее отверстие в вентиле. В результате такого дросселирования температура газа на выходе резко понижается, что ощущается руками, если взяться за вентиль.
На рис. 8.39 изображена холодильная машина Линде, применяемая для сжижения газов. Газ сжимается компрессором и направляется в сопло,
в котором он расширяется и его температура понижается. В процессе такого расширения температура газа понижается всего на несколько градусов. Поэтому газ охлаждают поэтапно путем многократного пропускания его через установку Линде. Последовательный спуск вниз по «лестнице» температуры в конечном счете приводит газ к точке кипения (она совпадает с точкой конденсации, или сжижения газа); сжиженный газ капает из сопла в колбу.
Получив сжиженный воздух (при нормальном давлении он образуется при температуре 80 К), мы вступили в так называемую область криогенных Температур, — на порядок ниже нормальных. В соответствии с резолюцией Парижского совещания (1969 г.) любые температуры, ниже 120 К, считаются криогенными («крио» — в переводе с греческого означает «холод»; «криогенный» — рождающий холод).
Итак, мы попали в холодный, мертвый мир, где все химические (и биохимические) реакции, характерные для повседневной жизни, полностью прекращаются. Атомы молекул в различных веществах все еще совершают колебания, однако их энергии уже недостаточно, чтобы покинуть своих партнеров. Никакие химические изменения уже невозможны; молекулы и состоящие из них вещества навсегда останутся в «замороженном» состоянии.
Тенденция к рассеиванию энергии, разумеется, не исчезла— затормозилась только возможность осуществления такого рассеяния. В таком состоянии случаются лишь мелкие, чуть заметные флуктуации энергии, запасенной в химических связях. Так что атомы действительно «вмерзают» в занимаемые ими положения. Но такой холодный «заторможенный» мир еще остается во власти обычных физических законов: хотя молекулы уже не могут перестраиваться, твердые тела продолжают звучать при ударе по ним. Химия полностью потеряла свою силу, однако для физики поведение кристаллической решетки в качественном отношении не отличается от такого в нашем «нормальном» мире —мире «тепловой турбулентности».
В диапазоне температур 300…30К удалось сжидить следующие наиболее распространенные газы:
Хлор (при T = —39° С или Г = 234К);
Этилен (при £ = -103° С или Т = 170К);
Кислород (при t = —183° С или Г = 90К);
Азот (при T = —196° С или Г = 77К).
Как правило, каждый предыдущий газ помогал сжижать последующий. Представляет интерес новая область физики — «физика тепловой лами — нарности», где на фоне очень спокойного, медленного движения частиц проявляются новые тонкие эффекты, в обычных условиях маскируемые беспорядочным движением атомов. Чтобы достичь этой новой области физики, необходимо опуститься по шкале температуры вниз на один порядок (10 раз).
Чтобы отобрать у газа еще 2000 Дж теплоты и рассеять ее в окружающее пространство, понизив тем самым его температуру с 30 К до 3 К (в 10
|
|
|
Пробка |
|
Газ
Линде |
|
Газ при ешхтш давлении |
|
|
|
Рис. 8.39. Схема холодильной машины Рис. 8.40. Конструкция термоса (дью- |
Внутренняя колба
Внешняя " колба
Пустота
Ара)
Раз) необходимо затратить работу:
Ч — чп
|
Рез |
Жрез = 2000 ^Ц^ = -18000Дж = — 18кДж, О
Заметим, если в первом случае, совершив 18000 Дж работы, мы понизили температуру тела на 300 — 30 = 270К (в 10 раз), то при такой же затрате работы 18000 Дж, во втором случае температура тела понижается только всего на 30 — 3 = 27К (в 10 раз).
В этом интервале температур был снижен водород. Для его снижения использовался жидкий кислород, позволявший предварительно понизить температуры водорода ниже критической температуры Ткр. Впервые это удалось сделать профессору физики Королевского института в Лондоне Джеймсу Дьюару. Чтобы перекрыть температурный разрыв между точкой замерзания кислорода (54К) и критической точкой водорода (33 К), Дьюар многократно пропускал водород через установку Джоуля—’Томсона. В конце концов, был получен жидкий водород. Газообразный кислород, опущенный в пробирке в жидкий водород, сразу же превращался в твердое тело. Дьюар полагал, что это и есть последняя ступенька к абсолютному нулю. Однако он ошибся. Температура кипящего водорода оказалась равной лишь 20 К. Впоследствии ему удалось получить водород даже в твердом состоянии, достигнув при этом температуры всего лишь 13 К.
Мировую славу принес Дьюару его знаменитый сосуд для хранения низкотемпературных жидкостей. Сегодня с ним знаком каждый. Ученые его называют дьюаром. Если сегодня попросить домохозяйку (а может быть и не только ее) купить в магазине дьюар, то она не справилась бы с этой задачей. А вот основная масса людей сосуд Дьюара называет просто термосом. Естественно, что термос купить уже сможет любой человек.
Дьюар (рис. 8.40) представляет собой сосуд, состоящий из двух колб, вставленных одна в другую и между которыми выкачан воздух. Чем меньше молекул между сосудами, тем меньше теплопередача. А чтобы еще более снизить передачу оставшегося тепла за счет теплового излучения, стенки сосудов посеребрены, так что они отражают почти все падающее наь них излучение с внутренней стороны.
Водород — прекрасное топливо. По теплотворной способности он в 4 раза превосходит уголь, в 3,3 раза — углеводороды нефти, в 2,5 раза — природный газ. К тому же водородное топливо является не только высококалорийным, но и экологически чистым. При сгорании водорода в кислороде образуется только вода. Исследования, проведенные в Институте проблем машиностроения АН Украины, показали, что даже небольшая добавка водорода к бензину —5…10% по массе, — активизирует процесс сгорания топлива, сокращает расход бензина, КПД двигателя существенно возрастает. При этом резко падает количество вредных веществ в выхлопных газах. Так, при работе двигателя на смеси 3% водорода, 97% бензина полностью отсутствует оксид азота, в 5 раз снижается содержание угарного газа, в 4 раза — несгоревших углеводородов по сравнению с предельными нормами. Одна из главных проблем — хранение водорода на борту автомобиля. Водород очень легок. При нормальных условиях 1 л газа имеет массу всего лишь 0,09 г.
В качестве примера рассмотрим серийный автомобиль ЗИЛ-130 грузоподъемностью 5 т. Бензобак емкостью 170 л (132 кг) топлива обеспечивает 410 км пробега. При этом же КПД двигателя такой пробег требует всего лишь 45,3 кг водорода.
Если водород на автомобиле ЗИЛ-130 хранить в газообразном виде под давлением ЮМПа в стандартных стальных баллонах емкостью 55 л массой 56 кг каждый, то общая масса тары и газа достигает 5325 кг, т. е. превысит полезную нагрузку машины. Ясно, что такой путь неприемлем.
При применении жидкого водорода потребуется емкость 640 л, т. е. примерно в 3,5 раза большая, чем емкость автомобильного бака (170 л). Но при хранении 640 л (45,3 кг) жидкого водорода масса емкости составит 335 кг (пустой), а вместе с водородом — примерно 380кг (335 + 45,3 = 380,3кг).
Если жидкий водород прольется, он мгновенно испарится и образует с воздухом взрывоопасную смесь — гремучий газ. Это обстоятельство усиливает требования к пожарной безопасности. Кроме того, двигатели, работающие на водороде, подвергаются повышенному износу. Суть этого еще недостаточно изученного явления заключается в том, что мельчайшие частицы водорода, обладающие высокой проникающей способностью, попадая в узлы трения, проходят в микротрещины и с большой силой распирают поверхность в местах дефектов. От «водородного» износа трущиеся детали служат в 2-3 раза меньше обычного. Однако перечисленные проблемы вполне разрешимы.
Космонавтика стала крупнейшим потребителем водорода и кислорода, охлажденных до криогенных температур. 15 мая 1987 г. с Байконура поднялась в космос новая ракета «Энергия». Ее стартовая масса 2400т, высота около 60 м, максимальный поперечный диаметр около 20 м. Ракета была двухступенчатой: первая ступень —4 блока: вторая ступень — центральный блок. Каждый боковой блок оснащен ракетным двигателем с тягой 740 т, который работает на жидком кислороде и углеводороде горючем (керосине). Центральный блок имеет 4 двигателя каждый с тягой 148т, использующие «криогенное топливо» — жидкий кислород (окислитель) и жидкий водород (топливо). Суммарная мощность двигателей «Энергии» поражает воображение —125000 МВт. Для сравнения: это примерно 2/3 мощности Единой энергетической системы бывшего СССР, объединявшей около 1000 электростанций. Ракета может вывести на околоземную орбиту более 100 т полезного груза. Масса топлива на борту ракеты почти 2000 т.
С апреля 1981 г. в США начались регулярные полеты многоразового воздушно-космического аппарата «Спейс шаттл». Аппарат состоит из связки орбитальной ступени — воздушно-космического корабля («Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис»), двух твердотопливных стартовых ускорителей и гигантского топливного бака.
Воздушно-космический корабль выполняется по схеме планера, его длина 37,2м, высота—17м, размах крыльев — 23,8м. В помещении для космонавтов могут жить, работать до 7 человек, в грузовом отсеке длиной 18,3 м и диаметром 4,5 м размещается полезный груз массой до 29,5 т. Орбитальная ступень рассчитана на использование до 100 раз.
Каждый твердотопливный стартовый ускоритель имеет длину 45,5 м и массу 590 т. Вместе твердотопливные ускорители создают тягу 4 • 650 = 2600 т.
Топливный бак высотой 47 м и диаметром 8,4 м заполняется «криогенным топливом» на 5/6 жидким водородом и на 1/6 жидким кислородом — всего 713 т горючего и окислителя. Три жидкостных реактивных двигателя создают общую тягу 600 т (3 • 200 = 600 т). Общая масса всей системы на старте 2040 т при этом масса топлива 1700 т.
15 апреля 1988 г. впервые в мире в воздух поднялся самолет Ту-155, использующий в двигательной установке жидкий водород. Этот самолет полноправно вошел в историю авиации. По мнению некоторых западных ученых, к 2010 г. запасы нефти на планете будут исчерпаны. Что же будет дальше?
Запасы угля значительно превышают запасы нефти и природного газа. Уголь и ядерная энергетика станут основными источниками энергии. С их помощью будет вырабатываться, в частности, водород. Впоследствии водород, возможно, станет основой энергетики.
Получив жидкий водород, ученые стремились получить еще более низкие температуры и сжижить другие газы. Трудно поддавался сжижению гелий. Однако и он был покорен учеными. Гелий можно предварительно охладить, приведя его в контакт с жидким азотом или жидким воздухом, можно также заставить гелий совершать работу в процессе адиабатического расширения, понизив тем самым его температуру. Затем холодный гелий многократно пропускается через установку Джоуля—Томсона и спустя соответствующее число циклов через сопло начинает капать сжиженный гелий. Точка кипения жидкого гелия равна 4,2 К, что примерно на два порядка ниже естественной температуры.
Теперь мы попали в мир «теплового спокойствия», здесь системы атомов в твердых телах уже не создают своими колебаниями «теплового шума». В этом мире достаточно спокойно и тихо, чтобы можно было увидеть в действии новую физику, явления которой при более высоких температурах полностью затушевывались бы интенсивным движением атомов. В частности, теперь может появиться сверхпроводимость, — свойство некоторых веществ не оказывать сопротивления протекающему по ним электрическому току.
Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 г. Однако его «звездный час» наступил еще 10 июля 1908 г. Именно в этот день К амер л инг — Оннес получил жидкий гелий, охладив его до температуры 4,2 К. Наконец-то сбылось пророчество Лавуазье: покорился последний природный газ. Камерлинг-Оннес сделал неудачную попытку получить твердый гелий, позволив жидкости испаряться под пониженным давлением. Позже стало ясно: до абсолютного нуля оставался всего лишь… один градус.
В 1911 г. Камерлинг-Оннес работал над проблемой, которая значилась в тогдашней лейденской исследовательской программе как «изучение свойств различных веществ при гелиевых температурах». В те времена ученых волновал вопрос: «А как ведет себя проводник электрического тока при низких температурах?». На этот счет существовали самые противоположные мнения. В соответствии с классической теорией электричества заряды при движении по проводнику испытывают сопротивление, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки. Одни ученые полагали, что при снижении температуры проводника амплитуда колебаний его атомов уменьшится, поэтому электрическое сопротивление проводника упадет и при абсолютном нуле оно должно исчезнуть. Другие ученые утверждали противоположное, что при достижении полюса холода электроны холода должны прочно связаться с атомами кристаллической решетки и электрическое сопротивление проводника должно стать бесконечно большим. Третья группа ученых полагала, что при абсолютном нуле проводник будет оказывать электрическому току сопротивление, пусть даже малое.
Камерлинг-Оннес и его ассистент Хольст испытывали столбик замерзшей ртути. При понижении температуры электрическое сопротивление уменьшалось так, как предсказывала классическая теория. При температуре 4,2К ртуть внезапно скачком потеряла сопротивление (рис. 8.41). Так была открыта загадочная сверхпроводимость.
Вот один из опытов ученого. Катушка из свинцового провода помещалась в криостат с жидким гелием (рис. 8.42). При замыкании выключателя № 1 катушка присоединялась к источнику тока и в ней протекал ток. Возникает магнитное поле, которое можно было обнаружить по отклонению стрелки компаса. Когда же замыкался выключатель № 2 и размыкался выключатель № 1, ток в сверхпроводнике не исчезал, магнитный поток как бы «вмораживался» в катушку. В катушке оставался индуктивный ток, и он циркулировал в сверхпроводнике.
Циркулировавший ток равнялся 0,5 А, и катушка представляла собой настоящий магнит. Помещенная около криостата магнитная стрелка отклонялась почти перпендикулярно к меридиану, и в течение целого часа не наблюдалось никаких изменений. Даже на следующий день электроны продолжали свое движение. Как только катушку вынимали из жидкого гелия, ток немедленно прекращался.
Часто возникает вопрос: «А не нарушается здесь первый закон термодинамики (закон сохранения энергии)?». Конечно, нет. Энергию сверхпроводящая цепь получила от источника и не растрачивала ее.
Значение сверхпроводимости следующим образом резюмировал американский физик М. Земански. Из всех необычных явлений, происходящих при низких температурах, сверхпроводимость:
• наиболее яркое и захватывающее явление. Электрические токи могут устойчиво циркулировать в металлических кольцах в течение более 100000 лет;
• наиболее практически полезное явление (становится возможным изготовление сверхпроводящих магнитов, тепловых реле, гидроскопов без трения, а также компактных быстродействующих суперЭВМ).
Одно из важных применений сверхпроводимости в технике — это создание магнитных полей, необходимых для удержания плазмы в устройствах управляемого термоядерного синтеза.
Прежде чем мы перейдем к еще более низким температурам, отметим, что температура ЗК имеет значительно более общее значение, а именно, 3 К — это температура окружающего космического пространства.
Спустимся вниз по шкале температур еще на один порядок: от ЗК к 0,3К (в 10 раз). Осуществить столь глубокое охлаждение можно только в два этапа: сначала мы достигнем температуры 1 К, а уж затем придем к конечному результату.
|
Стрелка |
|
Рис. 8.42. Схема опытной установки X. Камерлинг-Оннеса |
|
0.0 |
|
1 Рщ |
Уть С |
||
|
10’5 |
Ом L.__ nl |
|
R, Ом |
|
0.10 |
|
0.05 |
|
"4.0 4.1 4.2 4.3 Т, К |
|
Рис. 8.41. Зависимость сопротивления проводника от его температуры |
На первом этапе охлаждение происходит так же, как при выходе пловца из плавательного бассейна. Молекулы воды, осевшие на коже пловца, хаотически улетучиваются; при этом, чтобы высвободились такая молекула, должны прежде разорваться ее связи с другими подобными молекулами, а также с кожей пловца. Необходимая для этого энергия может быть заим
ствована у тела пловца; а уж когда энергия поступила и высвобожденная молекула улетучилась, то очень мало шансов, что она когда-либо вернет заимствованную энергию. В результате тело пловца будет охлаждаться. Эффект охлаждения тела можно наблюдать при выходе из воды во время купания, хотя температура окружающего воздуха выше температуры воды в озере, пруде. Именно такой процесс лежал в основе действия ранних моделей холодильников.
Еще в XVIII веке Уильям Каллен, профессор химии Эдинбургского университета, изобрел холодильник, охлаждающий эффект которого был основан на откачке паров воды. Как известно, при испарении вода охлаждается; то же самое происходит и с гелием при температуре на два порядка более низком, т. е. при его нахождении в жидком состоянии. Атомы на поверхности образца приобретают энергию, достаточную для разрыва слабых связей, соединяющих данный атом с его соседями. В результате атомы улетают с поверхности жидкого гелия, становясь газом, и уносят при этом энергию от образца. Оставшаяся жидкость обладает уже меньшей энергией и становится холоднее, чем раньше. Таким образом, испарение, по крайней мере, части с таким трудом добытого жидкого гелия —это необходимая плата за достижение промежуточной температуры 1 К; далее наступает этап получения температуры 0,3 К.
В 1922 г. Камерлинг-Оннес предпринял последнюю попытку достичь полюса холода. Ученый откачивал пары над кипящим жидким гелием, используя более мощные насосы. Была зафиксирована температура 0,83 К.
Уже на этой стадии охлаждения жидкий гелий проявлял новые свои удивительные способности. При температуре, ниже 2,19 К изменяются физические свойства гелия — теплоемкость, скорость распространения звука, коэффициент теплового расширения и др. Поэтому гелий при температуре Т > 2,19 К называют гелий-1, а при температуре Т < 2,19 К — гелий-2.
Самое поразительное свойство гелия-2 —это полное отсутствие вязкости. В 1938 г. советский физик П. JI. Капица обнаружил, что гелий-2 течет по узкому капилляру без всякого сопротивления. Он способен даже «вылезать» из стакана или пробирки, куда он налит. Такое свойство гелия-2 было названо сверхтекучестью.
Аналогично тому, как при сверхпроводимости поток электронов существует неопределенно долгое время, при сверхтекучести (которая проявляется только у жидкого гелия) сколь угодно долго сохраняется неизменным движение самих атомов. Здесь мы вступаем в мир течений жидкости без вязкости.
Чтобы продвигаться дальше к абсолютному нулю (ниже температуры 1 К) нужны были свежие идеи. Этот вопрос решили молодой преподаватель из Канады Уильям Джиок и физик-теоретик Петер Дебай (в будущем — лауреаты Нобелевской премии) независимо друг от друга всего через два месяца после смерти Камерлинг-Оннеса. Они пришли к заключению, что температуры ниже 1К могут быть достигнуты путем использования магнитных свойств парамагнитных солей.
Парамагнетики обладают свойством намагничиваться во внешнем магнитном поле. Ионы парамагнитной соли можно представить в виде элементарных микроскопических магнитиков. В достаточно сильном магнитом
|
Рис. 8.43. Схема магнитного охлаждения гелия |
Поле все они оказываются выстроенными по полю. Возникает порядок, который не может сохраняться без поля. Под действием теплового движения магнитики изменяют свое направление и стремятся расположиться хаотично — вещество размагничивается. Если размагничивание происходит адиабатически, т. е. в условиях теплоизоляции (без внешнего теплоприто — ка), то температура парамагнетика понижается.
Сверхтекучесть гелия-2 не позволяет получить температуры ниже 0,7…0,8К. А вот легкий изотоп гелия — гелий-3 не становится сверхтекучей жидкостью даже при очень низких температурах порядка 10~3К. Гелий-3 менее плотен, чем обычный гелий, кипит при более низкой температуре, и теплота испарения у него намного меньше. Откачивая пары гелия, можно добраться до температуры порядка 0,3… 0.5 К.
Эксперимент по магнитному охлаждению включает четыре стадии, условно показанные на рис. 8.43. В начале опыта в сосуде с солью находилось небольшое количество газообразного гелия, вентиль был закрыт (рис. 8.43, а). Ионы охлажденной соли при этом располагались хаотично (более точно здесь и в дальнейшем имеются в виду спины электронов атомов соли). На второй стадии в обмотку электромагнита подавался постоянный ток, возникало магнитное поле (рис. 8.43, б). Ионы парамагнитной соли переходили в упорядоченное состояние, располагались в направлении магнитных силовых линий (энтропия уменьшилась). При этом была затрачена энергия. Выделившееся тепло газообразный гелий передал жидкому гелию, часть его испарилась, но температура осталась прежней.
На третьей стадии через вентиль был откачан газообразный гелий из контейнера с солью (рис. 8.43, в). Парамагнитная соль как бы повисла в вакууме. В результате повышалась теплоизоляция охлаждаемого вещества.
На заключительной стадии магнитное поле медленно выключалось (рис. 8.43, г). Происходило адиабатическое размагничивание парамагнитной соли. Ионы вновь стремились расположиться хаотично. Но для этого нужна энергия, и так как ее взять неоткуда, она отнималась у самой соли. Ее температура понижалась настолько, что до абсолютного нуля оставалось всего лишь 0.5 К. У. Джиоку потребовалось еще три недели опытов, чтобы он смог приблизиться к физическому полюсу холода еще на четверть градуса.
Иногда используют несколько каскадов с «магнитным охлаждением» различных солей с последовательно снижающимися рабочими температурами.
До абсолютного нуля остается «только» 0,001 К. Эту температура в 1969 г. получил академик И. Я. Померанчук.
Температуры ниже 4,2 К пока что в основном используются лишь в физических и химических лабораториях мира.