Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления
Иллюстрацией аналогичного процесса может служить следующий уже хорошо известный пример, когда маленькое, ничтожное, на первый взгляд, наблюдение ученого привело к большим практическим последствиям. Не так уж давно, не многим больше столетия прошло с того дня, когда итальянский врач Гальвани, подвешивая к металлическим перилам своего балкона лапки лягушки, над которой он экспериментировал, заметил, как мышцы лягушачьей лапки пришли в судорожное движение без всякого постороннего воздействия электризации, но просто от прикосновения к мышцам двух разных металлов.
Подобное сокращение, но под действием электрических разрядов было уже известно и неоднократно наблюдалось. Более проницательный, чем Гальвани, Вольта первым понял, что итальянский медик открыл новый источник электричества — электрохимический элемент. Правильно истолковав наблюдения Гальвани и продолжая его работы, Вольта в 1799 г. создал свой знаменитый «вольтов столб», состоящий из ряда медных и цинковых дисков, разделенных пропитанными кислотой кусками фланели, и дающий уже значительную электродвижущую силу. Таким образом был создан источник постоянного электрического тока, что дало возможность изучать его физические свойства.
Рядом ученых только за один XIX в. были открыты все основные электромагнитные явления, вызываемые электрическим током, и создана их теория. Как вы, вероятно, знаете, это открыло путь к созданию мощных источников электрической энергии и ее широкому использованию в технике и народном хозяйстве.
Сейчас для всех ясно, что мы не можем мыслить нашу жизнь без использования электрического тока. С исторической точки зрения современная электротехника молода, она в основном развивалась за одно столетие, при ее зарождении присутствовали наши деды. История использования кислорода, о которой я буду рассказывать, происходит на наших глазах и еще не завершена. Здесь тоже наглядно видно, как научное открытие, родившееся в лаборатории, начинает оказывать все возрастающее влияние в технике и в народном хозяйстве. Я выбрал эту проблему как тему для доклада, так как сам активно принимал участие во внедрении кислорода в промышленность.
Газ кислород как составная часть воздуха был открыт давно. Во второй половине XVIII в. почти одновременно в Швеции — Шееле, в Англии — Пристли и во Франции — Лавуазье установили, что кислород поддерживает горение, и назвали его первоначально «огненным» или «жизненным» воздухом. Впоследствии Лавуазье изменил его название на «кислород» в знак того, что он образует кислоты со многими горючими веществами (фосфорную кислоту с фосфором, углекислоту с углем и т. д.). Вскоре было выяснена в больших подробностях значение кислорода для жизни человека и стало известно, что когда человек заболевает и ему трудно дышать, ему помогает кислород. Во времена Лавуазье химики добывали кислород из перекиси марганца, которая находится в природе. Несколько позднее кислород добывали из содержащих его в большом количестве кислот и солей. Пристли и Шееле получали кислород для лечебных целей из хлорновато-калиевой соли, которой было присвоено название по имени открывшего ее французского химика Бертолле — «бертоллетова соль».
Эта соль, сходная по физическим свойствам с обыкновенной поваренной солью и имеющая вид бесцветных прозрачных пластин, при нагревании плавится и, расплавившись, начинает разлагаться, выделяя кислород. Сто граммов бертоллетовой соли дают около 29 литров кислорода. Таким образом полученным кислородом наполняют подушки, с помощью которых поддерживают дыхание тяжелобольных. Это было давно. Получаемый с трудом и в небольших количествах кислород не находил широкого применения. Развитие физики показало, что к получению кислорода следует подойти другим путем.
Самым обильным источником кислорода, несомненно, должен быть воздух, но долгое время он был недоступным человечеству, пока ученые не нашли способ повысить его естественную концентрацию (21%). История того, как это произошло, началась примерно 70 лет тому назад, когда швейцарским физиком Пикте и одновременно с ним французским физиком Кальете удалось ожижить воздух. К тому времени многие газы уже удавалось ожижать, но были и такие, которые еще Фарадей назвал «постоянными», потому что ошибочно считалось, что их вообще нельзя перевести в жидкое состояние. К числу этих «постоянных» газов относился и воздух, поскольку даже при сильном сжатии он не ожижался.
Тогда было выяснено, что для ожижения газа нужно не только достаточно высокое давление, но и достаточно низкая температура — названная критической. Как мы теперь знаем, эта температура для воздуха —141° С при давлении в 32 атмосферы. После ряда попыток найти метод для получения таких низких температур это удалось, наконец, Пикте. В восьмидесятых годах прошлого века, он получил жидкий воздух и наполнил им небольшой сосуд. Это считалось тогда большим научным открытием; Пикте был избран почетным членом разных научных обществ, получил медаль и пр.
Основной помехой при исследованиях было то, что жидкий воздух в то время никак не удавалось сохранить в жидком состоянии. Как только его наливали в сосуд, он быстро испарялся. Никому и в голову не приходило, что эта жидкость, которую нельзя было сохранять, может иметь промышленное значение. Жидкий воздух оставался курьезной новинкой, получение которой было доступно только одной — двум хорошо оборудованным лабораториям в мире. Так продолжалось лет двадцать, пока не было сделано другое открытие, которое сразу изменило положение. Английский ученый Дьюар на основании теоретических соображений пришел к выводу, что вакуум, т. е. пустоту, можно применить для тепловой изоляции.
Теплота передается движением молекул при их столкновении друг с другом. Если молекул мало, то передача тепла затрудняется. Дьюар показал, что если сделать сосуд с полой оболочкой и выкачать из нее воздух и если в такой сосуд положить, например, лед, он долго не будет таять, так как приток тепла через стенки будет очень мал. Такой сосуд по имени Дьюара часто называют «дьюаровским». Эти сосуды теперь вошли в обиход, ими широко пользуются для хранения пищи при высокой или низкой температуре. В обиходе их называют «термосами». В то время установление принципа, на котором основан термос, было большим научным открытием. Благодаря появлению дьюаровских сосудов стало возможным сохранять жидкий воздух, что позволило более подробно изучать его физические свойства.
Примерно в девяностых годах прошлого века англичанин Бейли и немец Линде, изучая жидкий воздух как смесь двух жидких газов — азота и кислорода, — одновременно нашли, что жидкий воздух, когда частично испаряется, обогащается кислородом, и это объясняется тем, что жидкий азот кипит при несколько более низкой температуре, чем жидкий кислород. Исследования показали, что при атмосферном давлении разница в температуре кипения этих двух жидкостей довольно значительна и составляет около 13°. Линде первым понял, что это явление открывает возможность дешевого получения кислорода и может иметь большое практическое значение. Это произошло спустя 25 лет после получения жидкого воздуха.
С незапамятных времен человечеством были использованы процессы разгонки смесей жидкостей, основанные на разнице температур кипения компонентов. Подобный процесс, например, находит себе применение для получения спирта, даже используется в деревне при перегонке самогона. Как известно, этот процесс разгонки также широко используется в нефтяной промышленности.
Линде пришла мысль применить способ разгонки к жидкому воздуху, чтобы отогнать более легко кипящий азот от кислорода. Таким путем в первых же опытах он легко получил довольно чистый кислород. Это открывало возможность получения кислорода не только гораздо более дешевым путем, чем прежний, химический, который использовался для наполнения кислородных подушек для тяжелобольных, но и в больших объемах, определяемых уже не десятками литров, а сотнями и тысячами кубометров. А если так, то, значит, с помощью кислорода можно интенсифицировать не только процесс человеческого дыхания, но и процессы большего масштаба, как например — горение.
Естественно, возникла мысль, что если заставить горючий газ, например, ацетилен, гореть в присутствии одного кислорода без азота, который не принимает участия в реакции горения и является вредной примесью, уносящей тепло, то можно получить значительно более горячее пламя. Опыт показал, что таким высокотемпературным пламенем можно локально плавить любой металл, что дало возможность сплавлять два куска металла без помощи какого бы то ни было легкоплавкого припоя, например, сваривать железо с железом. Так появилась и стала успешно применяться автогенная сварка.
Вскоре после этого был найден и способ автогенной резки металлов. По всей вероятности, вам известно, каких масштабов в промышленности теперь достигли автогенные методы обработки металлов: ни самолет, ни морское судно не могут быть построены без автогенной сварки. И стало это возможным только благодаря тому, что открылась возможность дешево получать кислород, добывая его в больших масштабах непосредственно из воздуха.
