Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
В 1845 году Фарадей провел опыты по сжижению газов с помощью двух насосов. Первый насос сжимал газ до давления в 10 атмосфер[1]. Затем газ поступал во второй насос, где сжимался до давления в 50 атмосфер. Стеклянная трубка, в которой накапливался сжатый газ, проходила под колокол воздушного насоса, а ее запаянный конец погружался в охлаждающую смесь эфира с твердой углекислотой.
Но новых успехов в сжижении газов Фарадей добиться не смог.
Одновременно с Фарадеем над проблемой сжижения атмосферных газов работали ученые разных стран.
В то время считали, что газ можно сжижать либо путем глубокого охлаждения, либо сжимая достаточно высоким давлением. Получить низкие температуры было трудно. Поэтому второй путь казался предпочтительным.
Однако не помогало самое высокое давление, которое можно было получить в лабораторных условиях. И тогда исследователи старались реализовать еще большие давления. Так, например, один из них сжимал кислород и азот почти до двухсот атмосфер, поместив эти газы в специальные цилиндры и погрузив их на глубину около двух километров в океане.
Но ни кислород, ни азот, ни водород не проявляли никаких признаков сжижения, какому бы сжатию их ни подвергали.
Многие ученые стали привыкать к мысли, что это так называемые «постоянные газы», то есть газы, не превращающиеся в жидкость ни при каких условиях.
Фарадей не разделял подобных взглядов.
В своих записках он отмечал, что достигнутое охлаждение, очевидно, недостаточно для сжижения таких газов, как кислород, азот или водород, даже при сколь угодно большом давлении. Ученый выражал уверенность в том, что при более глубоком охлаждении задача сжижения атмосферных газов под давлением будет решена.
Но подорванное тяжелым детством здоровье Фарадея все ухудшалось. Начиная с 50–х годов он вынужден постепенно сокращать объем своих исследований, а затем и вовсе их прекратить.
25 августа 1867 года Фарадей скончался. А десять лет спустя французский инженер Кальете впервые осуществил сжижение кислорода.
Луи Поль Кальете родился в 1832 году в небольшом французском городке Шатильон на Сене в семье промышленника. Вскоре по окончании Горного института он руководит чугуноплавильными заводами своего отца.
Стремясь усовершенствовать производство, молодой инженер изучает металлургические процессы.
Судя по всему, на этом поприще он добился немалых успехов. В 1877 году его избирают членом — корреспон- дентом Парижской академии наук — честь, которой удостаивался далеко не каждый провинциальный инженер.
Кальете прославил свое имя не работами в области высоких температур, при которых протекают металлургические процессы. Он вошел в историю физики как один из первопроходцев к абсолютному нулю температуры.
Кальете, подобно многим своим предшественникам, начал эксперименты с попыток сжижения газа под высоким давлением. Первым газом для его опытов послужил ацетилен. Предварительный расчет показал, что для сжижения этого газа при комнатной температуре требуется давление около 60 атмосфер.
Однако перед достижением заданного давления аппаратура неожиданно дала течь, и сжимаемый газ начал просачиваться наружу.
Кальете, внимательно следивший за толстостенным стеклянным сосудом с ацетиленом, успел заметить, что немедленно после возникновения течи в сосуде образовалось легкое облачко, которое быстро исчезало.
Сначала Кальете решил, что обнаруженное им явление обусловлено наличием примесей в ацетилене, предположив, что видел капельки воды. Он повторил опыты, использовав химически чистый ацетилен, и снова появилось облачко.
Теперь сомнений не оставалось. Исследователь наблюдал именно конденсацию ацетилена.
Не теряя времени, Кальете приступает к экспериментам по сжижению атмосферных газов. Он выбирает кислород, так как этот газ было нетрудно получить в чистом виде. Он сжимает кислород до давления примерно 300 атмосфер и затем подвергает толстостенный стеклянный сосуд с кислородом охлаждению до — 29 °C, окружив его испаряющейся двуокисью серы.
Когда Кальете приоткрыл клапан и выпустил из сосуда часть газа, давление его внезапно упало. Расширяясь, газ совершил работу. При этом тепло к газу не подводилось, и по закону сохранения энергии он охладился. Экспериментатор вновь заметил облачко конденсирующихся капель.
Так впервые удалось сжижить кислород.
Эксперименты Кальете подтвердили вывод Фарадея о том, что для сжижения газов существенное значение имеет не только давление, но и температура.
Действительно, детальное исследование роли давления и температуры в процессе сжижения газов, проведенное в 1870 году великим русским химиком Д. И. Менделеевым, показало, что для каждого газа существует предельная температура, выше которой газ не может быть сжижен ни при каком сколь угодно большом давлении. Менделеев назвал эту температуру «абсолютной температурой кипения».
Независимо от Менделеева подобное исследование провел английский физик Томас Эндрюс, который ввел в науку термин «критическая температура».
Представьте себе закрытый сосуд, в котором находится некоторое количество жидкости, например воды. В результате испарения над жидкостью образовывается насыщенный пар. При этом одно и то же вещество существует одновременно в двух состояниях, или, как говорят физики, в двух фазах — жидкой и газообразной.
При комнатной температуре плотность пара значительно меньше плотности соответствующей жидкости.
С повышением температуры плотность жидкости уменьшается, а плотность газа увеличивается.
Наконец наступает момент, когда плотность жидкости и пара совпадает.
Температура, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают, называется критической температурой данного вещества.
При температуре выше критической вещество может находиться только в одном состоянии — газообразном. При таких условиях газ невозможно сжижить даже при сколь угодно сильном сжатии.
Критические температуры разных веществ существенно отличаются друг от друга. Например, воды + 374 °C, кислорода —118 °C, водорода — 240 °C.
Однако вернемся к экспериментам Кальете.
Температура кипения кислорода при атмосферном давлении — 183 °C. Следовательно, французскому инженеру удалось преодолеть значительный отрезок пути к абсолютному нулю.
Может быть, кто‑либо был склонен объяснить это достижение счастливой случайностью. Ведь мысль о возможном способе сжижения атмосферных газов пришла в голову Кальете в момент аварии его аппарата.
Конечно, и в науке бывают случайности. Но не они решают дело.
Каждый новый шаг в науке подготавливается предыдущими научными открытиями и достижениями в той или иной области.
Кальете в момент своего открытия был уже зрелым ученым.
Он детально изучил работы своих предшественников и ясно видел цель, к которой стремился. Иначе он не заметил бы мгновенно исчезнувшее облачко.
Не случайно многие важные открытия были сделаны разными учеными независимо друг от друга.
Так было и на этот раз.
Почти одновременно с Кальете сжижение кислорода произвел женевский физик Рауль Пикте, действуя другим методом.
Мы уже знаем, что газ, критическая температура которого выше комнатной, можно сжижить сжатием без предварительного охлаждения.
Полученная таким образом жидкость используется для охлаждения второго газа, критическая температура которого значительно ниже комнатной, но выше температуры кипения этой жидкости.
Жидкость, полученную после сжижения второго газа, можно использовать для сжижения третьего газа с еще более низкой критической температурой, и т. п.
Такой метод получил название каскадного.
Пикте сжижил кислород, использовав в первом каскаде двуокись серы, а во втором каскаде — двуокись углерода.
Сообщения об удачном завершении эксперимента Кальете и Пикте были оглашены на собрании Парижской академии наук 24 декабря 1877 года, а через неделю, в самый канун нового 1878 года, Кальете объявил о сжижении азота (температура кипения — 196 °C).
Некоторое время спустя Пикте, пополнив свою установку третьим каскадом, где он применил кислород, сжижил воздух. Воздух, как известно, состоит в основном из азота и кислорода и имеет температуру кипения промежуточную между температурами кипения этих составляющих, а именно — 194,4 °C.
В 1882 году Кальете вернулся к своему эксперименту, применив для охлаждения сосуда со сжатым кислородом этилен вместо двуокиси серы.
Температура первоначального охлаждения понизилась до —105 °C.
Однако облачко сжиженного газа по — прежнему мгновенно исчезало, словно привидение в старинной легенде.
