Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович
Такого рода исследования обычно проводятся при низких температурах, и Капице понадобились жидкие водород и гелий.
Читатель помнит, сколько усилий пришлось затратить Камерлинг — Оннесу и его сотрудникам для того, чтобы получить лишь несколько десятков кубических сантиметров жидкого гелия. В то время техника сжижения газов недалеко шагнула вперед.
Правда, Капице для его опытов нужно было не так уж много жидкого газа, и никто не бросил бы ему и слова упрека, если бы он использовал для этой цели существующие в то время в Кембридже сжижительные установки. Но ученый предвидит, какую роль призваны сыграть в науке и технике жидкие газы, имеющие низкие температуры кипения, и приступает к самостоятельному решению проблемы сжижения газов.
Капица начал с детандерного ожижителя гелия. Это было очень смелое решение.
В то время казалось, что возможности детандера, представляющего собой цилиндр с поршнем (на-< помним, что о нем речь шла в третьей главе), полностью исчерпаны.
Поршень требует смазки, а при такой низкой температуре, при которой сжижается гелий, все смазочные материалы, как и вообще все жидкости, затвердевают.
Но Капица и на этот раз находит простое и оригинальное решение задачи. Смазку поршня должен осуществлять… сам сжижаемый газ!
В детандере своей конструкции Капица оставляет небольшой зазор, порядка нескольких сотых миллиметра, между поршнем и стенкой цилиндра. Сжатый газ пытается ускользнуть через этот зазор. Но поршень производит расширение так быстро, что успевает просочиться только маленькое количество гелия.
Так были одновременно решены две проблемы: смазка и уплотнение поршня.
Быстродействующие детандеры конструкции советского ученого получили распространение во всем мире.
Сжижение атмосферных газов можно было, как выражаются производственники, «поставить на поток».
Наступила новая эра в криогенике.
Признание выдающихся научных и инженерных достижений Капицы выразилось, в частности, в том, что его избрали членом Лондонского королевского общества.
В 1929 году П. Л. Капица был избран членом — корреспондентом Академии наук СССР (с 1939 года он действительный член Академии наук СССР).
Масштаб исследований в области низких температур, проводимых Капицей, все расширялся. В 1932 году на территории Кавендишской лаборатории была построена специальная криогенная лаборатория Лондонского королевского общества, так называемая Мондская лаборатория, директором которой был назначен П. Л. Капица.
Осенью 1934 года Капица возвратился в Москву. Уникальное оборудование Мондской лаборатории было по решению советского правительства закуплено у Лондонского королевского общества. Его смонтировали во вновь организованном научно- исследовательском институте, возглавленном П. Л. Капицей.
По предложению Капицы новое научное учреждение было названо так: «Институт физических проблем».
«Это несколько необычное название, — говорил Капица, — должно отражать собой то, что институт не будет заниматься какой‑либо определенной областью знания, а будет, вообще говоря, институтом, изучающим известные научные проблемы, круг которых определится тем персоналом, теми кадрами ученых, которые в нем будут работать».
П. Л. Капица сам разработал проект вверенного ему института и принимал непосредственное участие в руководстве его строительством. Это было совсем нелегким делом: не хватало строительных материалов, мало было квалифицированных рабо- чих — строителей.
Наконец организационные трудности были преодолены, и Капица смог продолжить криогенные исследования.
Прежде всего надо было усовершенствовать существующую аппаратуру. Время неумолимо движется вперед, и техника не терпит застоя.
А что, если вместо возвратно — поступательного движения поршня, непрерывное вращение колеса? Газ, работая, теряет энергию и охлаждается. Так возникла идея турбинного детандера, или, сокращенно, турбодетандера.
— Использовать турбину для сжижения газов? Невероятно! Такая машина, если ее и удастся осуществить, будет иметь слишком маленький коэффициент полезного действия, — в один голос заявляли видные турбостроители.
Однако и на этот раз Капица — физик подсказал Капице — инженеру удачное решение задачи.
При разработке конструкции турбодетандера Капица учел, что воздух при низкой температуре ближе к жидкости, чем к газу. Построенный им в 1938 году турбодетандер реактивного типа с радиальным ходом газа больше похож на гидротурбину, чем на газовую турбину. Этот турбодетандер имеет достаточно большой коэффициент полезного действия 0,85.
Новые машины для сжижения газов отличались компактностью. Например, турбодетандер, имеющий ротор весом всего 250 граммов, обладает производительностью 600 кубических метров жидкого воздуха в час. А из жидкого воздуха достаточно просто получить кислород и азот — газы, которые жадно «вдыхает» промышленность. Без кислорода немыслимо выплавить высококачественную сталь, он питает реактивные двигатели, широко применяется в ряде других отраслей промышленности. Жидкий азот и жидкий воздух используются в машиностроении. Сейчас даже студенты на физическом практикуме в некоторых институтах получили возможность использовать для своих опытов жидкий гелий.
…Ученый в который раз наблюдал, как кипящая по всему объему жидкость, мгновенно преобразившись, мирно покоится в сосуде.
Получается так, что жидкий гелий, подобно римскому божеству Янусу, обладает двумя обличиями.
Выше температуры 2,2К существует гелий, который ведет себя как обычная «нормальная» жидкость, его назвали гелий I. Ниже этой температуры гелий приобретает необычные свойства. Его наименовали гелий II.
Уже были тщательно измерены многие характеристики гелия II. Особенно поразили ученый мир результаты экспериментов, проведенных в Лейдене нидерландскими физиками — отцом и дочерью В. и Т. Кеезомами. Оказалось, что разность температур между концами заполненного гелием II капилляра выравнивается чрезвычайно быстро. Расчеты показали, что теплопроводность гелия II превышает в три миллиона раз теплопроводность гелия I и в сотни раз больше, чем у самых теплопроводных веществ из существующих в природе — серебра и меди. В этом смысле о гелии II можно говорить как о сверхтеплопроводящей жидкости.
Капица еще и еще раз перепроверял все имеющиеся данные.
«Только когда работаешь в лаборатории сам, своими руками проводишь исследования, только при этом условии можно добиться настоящих успехов в науке. Чужими руками хорошей науки не сделаешь», — напишет впоследствии Капица в одной из своих статей…
Ученому предстояло установить, какие свойства этой удивительной жидкости являются первичными, а какие вторичными.
Одним из основных свойств жидкости является ее вязкость, то есть способность оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Количественно это свойство характеризуется коэффициентом вязкости.
Один из способов измерения вязкости заключается в измерении скорости вытекания жидкости из капилляра под действием силы тяжести.
Скорость жидкости имеет наибольшую величину в средней части капилляра и убывает при приближении к стенке. Различные слои жидкости движутся с разными скоростями: между ними действуют силы трения, от величины которых зависит скорость вытекания.
Проведя тщательные эксперименты по измерению вязкости жидкости таким способом, Капица установил, что гелий II протекает через капилляры диаметром в сто тысячные доли сантиметра практически без сопротивления.
Для того чтобы повысить чувствительность метода, Капица заменил капилляр длинной узкой щелью шириной в полмикрометра, через которую можно было пропускать большие массы жидкости. Через такую щель гелий I протекал едва заметно, а гелий II преодолевал это препятствие за несколько секунд.
Измерения показали, что вязкость гелия II не превышает одну триллионную долю пуаза[4], что, по крайней мере, в десять тысяч раз меньше вязкости наименее вязкого из всех известных в природе веществ газообразного водорода.
