Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович
Какие выводы он смог сделать из опыта своих предшественников?
В первом эксперименте Кальете охлаждение достигалось за счет истечения струи газа из сосуда со сжатым газом. Газ расширялся, и его температура понижалась.
Это был процесс до некоторой степени стихийный и неуправляемый. Напомним, что первоначально струя газа вырвалась из сосуда против воли экспериментатора — в результате аварии. Эффективность такого процесса относительно невелика.
А что, если струю не выпускать в атмосферу, а заставлять газ работать?
Так возникла идея детандера.
Что такое детандер? Попросту говоря, это цилиндр с поршнем.
Газ сжимается с помощью специальной машины — компрессора до давления в десятки, а иногда сотки атмосфер. Сжимаясь, газ нагревается, а это как раз и не нужно! После компрессора газ поступает в теплообменник, представляющий собой змеевик, обтекаемый проточной водой. Здесь газ восстанавливает свою первоначальную температуру.
Затем он попадает в детандер, где толкает поршень, совершая при этом механическую работу. В результате расширения в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой происходит уменьшение внутренней энергии газа, и его температура падает.
После охлаждения газ поступает в холодильную камеру. Отнимая тепло у охлаждаемого тела, газ нагревается и возвращается в компрессор, чтобы снова пройти весь цикл.
Наиболее уязвимым местом этого охлаждающего устройства является собственно детандер. Перемещающийся в цилиндре поршень требует смазки. Между тем смазочный материал, не твердеющий при очень низкой температуре, подобрать трудно.
Не менее сложная проблема — создать уплотнение между цилиндром и поршнем, необходимое для предотвращения утечки газа. К тому же детандер- ный способ охлаждения действует тем хуже, чем ниже температура.
Может быть, можно обойтись без поршня и других движущихся частей?
И Дьюар вспоминает об интересном явлении, обнаруженном еще в 1853–1854 годах английскими учеными Джеймсом Джоулем и Уильямом Томсоном и получившем название эффекта Джоуля — Томсона (дроссельного эффекта).
Суть этого эффекта заключается в изменении температуры газа при прохождении через теплоизолированный дроссель, то есть суженное отверстие (пористую перегородку, вентиль), в направлении от большего давления к меньшему.
Газ проходит через суженное отверстие стационарно: перед дросселем и после него давление должно оставаться постоянным.
До дросселя оно такое, какое создается компрессором, например, десять атмосфер, а после дросселя оно может быть равно, например, одной атмосфере.
Один и тот же газ может иметь при разных температурах и различных начальных давлениях разный по знаку эффект Джоуля — Томсона: положительный (газ охлаждается) или отрицательный (газ нагревается).
Изменение знака эффекта Джоуля — Томсона называется инверсией.
Для большинства газов при комнатной температуре эффект Джоуля — Томсона положителен в широком интервале давлений. Для водорода эффект Джоуля — Томсона в обычных условиях отрицательный. Однако при достаточно низких температурах наступает инверсия: эффект Джоуля — Томсона становится положительным (газ охлаждается).
Забегая вперед, следует заметить, что способ дросселирования и усовершенствованный детандер- ный способ (к нему мы вернемся позже) являются основными для получения холода в современной технике.
Не будем нарушать хронологию повествования.
В начале 1896 года Дьюар публикует статью, где описывает эксперименты с газообразным водородом, осуществленные на его установке, основанной на использовании эффекта Джоуля — Томсона.
Дьюар отмечал, что он не наблюдал никакого охлаждения водорода, когда поступавший в установку газ имел комнатную температуру. Впрочем, ничего другого он не ожидал.
Однако газ, предварительно охлажденный жидким воздухом, поддавался дальнейшему охлаждению. Правда, никаких признаков его сжижения не наблюдалось.
Чтобы показать, насколько низка была температура газообразного водорода, Дьюар направлял струю газа из сопла на жидкий кислород. Последний замерзал, превращаясь в твердое вещество светло — голубого цвета. По оценке Дьюара температура струи была на 20–30 градусов выше абсолютного нуля. Теперь он был уверен, что сжижение водорода вполне осуществимо.
Наконец Дьюар добивается успеха. 10 мая 1898 года он получает 20 кубических сантиметров жидкого водорода, который спокойно кипел в вакуумном сосуде. А еще через год он одерживает свою последнюю победу — переводит водород в твердое состояние.
Вот как это произошло.
Первые попытки Дьюара получить водород в твердой фазе путем откачки паров из сосуда с жидким водородом потерпели неудачу.
Оказалось, что скрытая теплота испарения водорода еще меньшая, чем это предполагалось раньше. Поэтому приток тепла в криостат извне был достаточно велик, чтобы полностью компенсировать то понижение температуры, которое можно получить, испаряя жидкость.
Тогда Дьюар поместил сосуд с жидким водородом в другой сосуд, наполненный жидким воздухом. Внешний сосуд служил как бы экраном, препятствующим притоку тепла извне в центральную часть криостата.
Когда давление паров над поверхностью жидкого водорода упало до пяти миллиметров ртутного столба, в жидкости появилось некоторое подобие пены, которая при дальнейшей откачке превратилась в прозрачную твердую массу.
Представьте себя в роли участника марафонского бега, который, опередив всех своих соперников, первым пересекает линию финиша. Вы ликуете, но тут подбегает судья и заявляет, что линия финиша перенесена и вам предстоит продолжать утомительный бег.
Примерно в таком положении и очутился Дьюар. Получив жидкий водород, он не сомневался, что сделал последний решающий шаг на пути к абсолютному нулю. Но его собственные последующие эксперименты показали, что он ошибся. Водород не был газом, имеющим минимальную температуру кипения (по современным данным температура кипения жидкого водорода 20,4К).
Предстоял следующий этап исследования — сжижения гелия.
Гелий принадлежит к так называемым инертным газам. На Земле его содержится очень мало. Впервые он был обнаружен на… Солнце (откуда и его название: по — гречески «гелиос» — «солнце») в 1868 году при спектральном исследовании солнечной короны.
Лишь в 1895 году английскому химику У. Рамзаю удалось обнаружить гелий на Земле, выделив его из минерала клевеита.
В дальнейшем выяснилось, что и некоторые другие минералы, и природные газы содержат в небольших количествах гелий. «Солнечный газ» был обнаружен также в земной атмосфере, но в мизерной концентрации — менее 0,001 %.
Эксперименты показали, что открытое вещество — гелий остается газообразным даже при таких низких температурах, которые соответствуют твердому состоянию водорода. Предварительные оценки, сделанные в то время различными исследователями, показали, что температура кипения гелия лежит между 2К и 6К (по современным данным температура кипения гелия, при нормальном атмосферном давлении, 4,2К).
В 1908 году Дьюар публикует статью, где описывает все сложности, с которыми ему пришлось столкнуться при проведении экспериментов по сжижению гелия. И все же тон статьи — оптимистичный. Дьюар полон надежды добиться успеха.
Однако резким диссонансом с содержанием статьи прозвучало завершающее ее примечание, сделанное уже при корректуре: «10 июля 1908 года доктор Камерлинг — Оннес из Лейденского университета осуществил сжижение гелия». У самого финиша Дьюара обошел его более счастливый соперник.
…В то время как в стенах старинного Яглонского университета в Кракове в трубке аппарата Вроб- левского и Ольшевского «спокойно кипел кисло- ррд», а в Королевском институте в Лондоне на своей лекции по пятницам, словно фокусник на эстраде, Дьюар демонстрировал, как в его сосуде, будто из «ничего», возникали капли жидкости, в одной из аудиторий университета в голландском городе Лейдене собралось несколько молодых людей.
