Вблизи абсолютного нуля

А вот температуру эта стройная система единиц разрешает измерять в двух шкалах. Шкала Кельвина основная. Но можно пользоваться и термометром Цельсия. Ведь разница между ними лишь в расположении нуля.

От температуры Кельвина, от температуры абсолютной легко перейти к привычной нам шкале Цельсия, и наоборот.

Вот, например, водород превращается в жидкость и кипит при — 252 °C. Сколько это будет по Кельвину?

— 252 + 273 = 21° К.

Можно произвести и обратный подсчет.

21° К = 21 — 273 = — 252 °C.

Абсолютная шкала температур очень удобна. Но применяется она в основном, когда дело имеют с очень низкими температурами. А в наших обычных земных условиях немного смешно говорить, скажем, что температура 293 градуса. А на самом деле это наши 20 градусов Цельсия!

Не так уж и жарко!

Зато там, где пока что оперируют большими минусовыми температурами, конечно, удобнее вести более простой счет.

Но дело не только в этой простоте. Существуют серьезные научные основания, для того чтобы считать шкалу Кельвина самой удобной и самой строгой с точки зрения науки.

Так и будем знать.

Вот теперь мы познакомились с абсолютным нулем. И можно начать главное, для чего мы и затеяли этот разговор. Можно начать путешествие к абсолютному нулю.

Но наше путешествие будет необычным. Мы не просто собираемся познакомиться с чудесами сверххолода, побывать где-то рядом с абсолютным нулем. Нет, мы хотим еще научиться понижать температуру.

Правда, организовать получение сверххолода «на дому» вряд ли удастся. Но как интересно узнать о работе фабрик жидкого воздуха, холодильных машин, необычных установок, с помощью которых можно совсем близко приблизиться к абсолютному нулю.

Значит, решено. Едем вниз по шкале температур от нуля Цельсия к нулю абсолютному.

На нашем пути будут остановки. Мы посмотрим, как работают всевозможные холодильные машины. Как различные вещества преобразуются в холоде. А потом снова вниз по шкале, к абсолютному нулю!

Но сначала еще немного физики.

Как отнять тепло у тела

Знаете ли вы, что такое работа? Странный вопрос, не правда ли?

На первый взгляд с такими вопросами можно обращаться только к лодырям или тунеядцам, наставляя их на путь истинный. Любой человек с детских лет знает, что такое труд и работа.

И это понятие «работа», в общем, совпадает с тем, что под «работой» понимают в физике. Работу совершает каждый из нас. Разница одна. Для обыденной жизни одна работа будет полезной, а другая нет. Для физики же и танцы, и физическая зарядка, и ходьба — все это работа. Только надо добавить, что и человек, и животное, и любое физическое тело, совершая работу, или тратит часть своей энергии, или все время получает эту энергию откуда-то со стороны. Чтобы камень полетел, надо его кинуть или поднять повыше, а потом опустить. Чтобы забить молотком гвоздь, надо сильно ударить его.

Если приходится много работать, человеку необходимо хорошо поесть. На голодный желудок работать трудно. Человек питается, продукты питания превращаются в питательные вещества, увеличивают его внутреннюю энергию. А машины?

Паровоз жжет уголь, автомобиль — бензин, электромоторы расходуют электричество, которое поставляет им электрическая сеть.

Значит, всякое тело, работая, тратит часть своей энергии. Расходует то, что получает со стороны, или… В самом деле, а что будет, если энергии извне не поступит? Тело или не сможет совершить работу, или должно будет расходовать свою собственную внутреннюю энергию. А при этом тело должно остывать. Ведь именно внутренняя энергия связана с температурой тела. Это мы с вами уже знаем. Значит, чтобы понизить температуру тела, надо заставить его поработать. И, конечно, постараться сделать так, чтобы не помешал приток тепла со стороны. Ведь если оставить охлажденное тело в покое, к нему со всех сторон понесется тепло. Мы уже знаем об этом основном свойстве тепловой энергии — не оставлять никого в беде, согревать все кругом!

Иногда кажется, что не всякое тело можно заставить работать. Что, например, сделаешь с тем самым лежачим камнем. Под него, как говорится, и вода не течет. А между тем работа кипит в этом тихом, безмятежно расположившемся камне. Молекулы двигаются, внутренняя энергия есть, и притом немалая.

Как же до нее добраться?

Для твердых тел это нелегко сделать. А вот жидкости и особенно газы гораздо покладистее. Газы, например, особенно охотно отдают энергию. Этим и пользуются ученые и инженеры-конструкторы различных холодильных установок. Вся техника сверххолода основана на охлаждении газов. У них, оказывается, нетрудно забрать тепло, отнять энергию, иногда даже большими порциями.

Самое интересное, что газы в стране холода фигурируют как два лица.

Во-первых, сверххолод получают, пользуясь различными свойствами газов, а во-вторых, используют его в технике чаще всего для сжижения газов. Ведь вблизи абсолютного нуля не остается «в живых» ни одного газа. Они превращаются в жидкости, даже в твердые тела…

Газ может совершать два вида работ. Внешнюю, когда видно, что он, собственно, делает: скажем, двигает поршень, вращает турбину. И внутреннюю — когда только по тому, что падает температура газа, мы догадываемся о происходящем.

Мы уже знаем твердо — чтобы понизить температуру газа, надо заставить его совершить работу! Внешнюю, чтобы он «работал» на наших глазах. Или внутреннюю, когда на вид газ бездействует. Но в том и другом случае температура газа понизится.

А это нам и нужно!

Теперь посмотрим, что надо сделать, чтобы быстро и как следует охладить жидкость. Хотя мы обязались говорить только о газах, вопрос этот не постороннего происхождения. Он имеет самое прямое отношение к путешествию в сверххолод.

Ученые, которые изучают остатки далекого прошлого, называются археологами.

Древние города, поселки, постройки, даже костры, вокруг которых сидели когда-то наши предки, и те интересны археологам.

Роются они в земле, вытаскивают оттуда черепки, осколки, остатки оружия, всевозможную утварь и так далее.

В числе всяческой посуды им иногда попадаются кувшины из очень пористого материала. Стоит такой кувшин весь в поту, как будто ему жарко. А может быть, ему и в самом деле жарко? Зато вода в таком кувшине всегда будет прохладной. Кувшин не случайно изготовляли из очень пористой глины.

Древние народы были не менее сообразительны, чем мы. Раскопки происходили в жарких странах. Там очень важно, чтобы вода, налитая в кувшин, не нагревалась. Кому интересно пить теплую воду! Для этой цели и делали пористые кувшины. Вода постепенно испаряется через поры. Покидают жидкость самые активные молекулы, самые быстрые. Жидкость, естественно, остывает.

Испарение — один из самых верных способов остудить жидкость.

Каждый знает, что на горячий чай надо подуть, тогда он быстро остынет.

Так что, как видите, древние народы все это прекрасно учли, хотя и не знали физики. Вода в таких пористых кувшинах может стоять долго. И все время она будет прохладной, приятной на вкус.

Летом любой из нас с удовольствием поливает себя холодной водой. Хорошо, прохладно! Что происходит? Вода испаряется, понижается температура тела. Ведь для испарения воды нужно тепло, вода забирает его и от нашего тела. Поэтому мы и ощущаем прохладу.

Когда жидкость испаряется, ее внутренняя энергия тоже уменьшается. Ведь молекулы отрываются от жидкости. Для этого нужна работа. И теряет жидкость на эту работу часть своих запасов энергии.

С холодильником теперь знакомы все. Работает там электрический ток, а «подсобным рабочим» является особая жидкость — фреон, циркулирующая по трубкам. Она замечательна тем, что очень легко и охотно испаряется, охлаждая все вокруг.

Собственно говоря, фреон совершает внутри холодильника круговое путешествие, испытывая в каждом круге по два превращения. Сначала он существует в виде газа. Газ с помощью компрессора сжимают, и он превращается в жидкость. Жидкий фреон перегоняют в металлическую трубочку. Давление воздуха там маленькое. А температура кипения жидкости очень сильно зависит от давления воздуха. Чем оно меньше, тем легче молекулам покидать жидкость. Вот почему попавший в такие условия фреон начинает лихорадочно кипеть — испаряться.

Температура сразу падает до минус 32 градусов. Испарившиеся молекулы фреона стремительно поднимаются вверх. Но тут же их вольной жизни приходит конец. Газ снова попадает в компрессор и опять становится жидкостью, чтобы повторить все тот же охладительный цикл много раз.

Так электрический ток с помощью фреона совершает работу — беспрерывно охлаждает внутренность холодильного шкафа.

Не будет тока — остановится компрессор, прекратятся круговые превращения фреона — холодильник станет неудобным шкафом для посуды.

Температура минус 32 градуса, конечно, получается там, где испаряется фреон. Ближе к стенкам и двери она намного выше, ведь там теплее, в квартирном холодильнике — от минус 2 до плюс 6 градусов. Поэтому разные продукты кладут в различные места холодильника. Одним нужно место похолоднее, а другим — не очень холодное. В самый холод попадает мороженое. И оно получается твердое как камень.

Холодильники промышленные, которые работают на больших мясокомбинатах, устроены примерно так же.

Значит, жидкость, испаряясь, совершает внутреннюю работу. Поэтому она и остывает. А когда испарение идет сквозь пористый кувшин, то работа получается еще большей. Поэтому охлаждается вода в этом случае очень сильно.

На этом мы простимся с жидкостями. Теперь уже наш путь в страну сверххолода будет связан только с газами.

Это пар или газ?

Жидкость испаряется. При любой температуре самые быстрые частички — молекулы — помаленьку покидают ее.

Появляется пар. Из газообразного состояния вещество переходит в жидкое, и наоборот.

Часто испаряется не вся жидкость целиком. В какое-то время процесс останавливается. Почему? Образуется насыщенный пар, говорят ученые. Ведь одновременно с испарением, когда молекулы жидкости покидают ее, чтобы начать вольную жизнь, другие молекулы конденсируются, попадают из газа в жидкость. Сначала молекул «свободолюбивых», конечно, больше. А потом их число может сравняться. Вот и получится насыщенный пар. Если температуру не изменять, то он таким и останется. Вот, скажем, в той же комнате распространился водяной пар. Заполнил комнату, стал насыщенным. Что это значит? А вот что.

Одни молекулы испаряются, а другие, наоборот, попадают в жидкость. Если пар насыщенный, то в среднем тех и других столько же.

Значит, число испарившихся молекул, тех, что ведут свободную жизнь в комнате, витают в воздухе, в каждом кубическом сантиметре теперь в среднем такое же. Вот если мы нагреем комнату, дело тотчас же изменится. Жидкость начнет испаряться сильнее. И пара в воздухе станет больше. Хватит воды в комнате — останется пар насыщенным. Только жидкости, то есть воды, станет меньше. Охладим воздух, температура в комнате упадет — часть пара превратится в жидкость, снова станет водой.

Ну, а если вся жидкость обернется паром, то перед нами будет самый настоящий газ.

В свое время ученые много спорили о том, что же такое пар — газ это или нет.

Про воду все понимали, потому что, как говорится, секрет был известен. Каждый ведь видел, как вода обращается в лед или кипит, как лед тает.

А вот газы воздуха никто еще тогда жидкими не видел.

С водой все получилось гладко. Надо было изменить температуру, чтобы вода преобразовалась в лед или пар. Потом ученые сумели сконденсировать пар давлением. Увеличили давление — и заблестели капли воды там, где за минуту до этого и проживал бесцветный пар. А вот водород, кислород, азот никакими способами не удавалось обратить в жидкость. Может быть, этого нельзя сделать вообще? Многие так и думали. Великий английский физик Майкл Фарадей первый высказал мысль, что пары и газы — одно и то же.

Он взял известный уже тогда тяжелый отравляющий газ хлор. Сначала Фарадей подверг газ большому давлению. Не помогло. Газ оставался газом. Тогда ученый одновременно стал замораживать сосуд, где все это происходило. И вот под напором высокого давления и низкой температуры хлор сдался.

Так впервые ученые познакомились с жидкостью, которая при нормальных условиях не могла бы существовать. Появился жидкий хлор, и наконец-то стало ясно, что пары и газы — два названия одного и того же состояния вещества. Так и газ хлор можно было бы теперь назвать паром жидкого хлора.

За хлором в ход пошли и другие вещества.

Ученые начали по очереди сжимать все газы. Один за другим сдавались они, пока не осталось шесть самых упорных: водород, кислород, азот, болотный газ — метан, окись азота и окись углерода — угарный газ. Их сильно охлаждали, сжимали. Ничего не помогало. Может быть, эти газы вообще нельзя получить в жидком виде?

Много споров возникло и по этому поводу.

Решил проблему великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев.

Для каждого вещества, заявил он, существует своя собственная критическая температура. Называется она так потому, что при температуре высшей никакими способами, никаким давлением жидкость из газа не получить.

Опыты подтвердили это предположение Менделеева.

Почему он так рассуждал, в чем тут дело?

Можно сказать, что «каждый газ живет по-своему». Молекулы различных газов различны. И при одной и той же температуре у одного газа молекулы движутся быстрее, у другого — медленнее.

И если эти скорости велики, как газ ни сжимай, все равно не заставишь молекулы присоединиться друг к другу, стать жидкостью.

Облака в чистом небе

Сегодня с утра была прекрасная погода. А днем стали появляться облака. Одно за другим, где-то высоко в небе скапливались они, чтобы затем покрыть все небо густым слоем. К вечеру начался дождь.

Почему образуются облака? Это явление интересовало еще ученых Древней Греции и Древнего Египта. Они научились хорошо разбираться в различных явлениях природы, даже предсказывать их. Но вот на вопрос, почему так происходит, ответить не могли.

Только сейчас, когда науке известно, как ведут себя газы, ученые разобрались в процессе образования облаков. Основой этого процесса служат испарение и конденсация воды. Это понятно, так как облака состоят из капелек воды. Как эта вода попала туда, вверх, в верхние слои воздуха? Конечно, вместе с воздухом.

В воздухе всегда имеется вода. С поверхности всех водоемов, все равно Тихий океан это или блюдечко, стоящее в вашей комнате, вода испаряется. Так появляются водяные пары. Это и есть водяной газ. Утром в летнее время на траве выступают блестящие капли. Вода-роса. Откуда? Из воздуха. Днем жарко, много воды испаряется. Ночью температура падает. Начинается конденсация водяного пара — на крышах, на траве, на деревьях появляются капли росы, капли сконденсировавшейся жидкости.

Но при образовании облаков происходят явления похитрее. И самое интересное, что именно эти явления приведут нас в страну сверххолода, страну бывших газов, ставших жидкостями.

Тепловая энергия переходит от одного тела к другому. Мы знаем, что происходит это всегда и всюду. Очень трудно удержать тепло или, наоборот, не допустить приток тепла к какому-нибудь телу.

Но представьте себе, что мы этого добились. Создали такой сосуд, который не обменивается тепловой энергией с окружающим миром.

В сосуде находится газ. А наш сосуд обладает одной любопытной особенностью. Он как гармошка может сжиматься или расширяться. По нашему желанию.

Вот мы и выскажем желание — пусть сосуд расширится. Газ должен занять новый, большой объем. Для этого его молекулам придется преодолеть силы притяжения со стороны других молекул. Раз объем газа станет большим, значит, молекулы должны быть на больших расстояниях друг от друга. Иными словами, газу надо совершить работу.

Работа газа при этом будет невидимая, внутренняя, так как она направлена против внутренних сил — сил притяжения молекул. Для работы газу нужна энергия. Откуда ее взять? Никакого притока тепла со стороны не может быть. Значит, единственная возможность для газа — покопаться в собственных кладовых, отдать какую-то часть энергии из своих запасов.

Эти запасы и есть внутренняя энергия газа. Естественно, что она должна уменьшиться. А газ, расширяясь таким образом, охладится.

Процессы, которые происходят без обмена тепла с другими телами, физики называют адиабатными. Газ в нашем примере расширился именно адиабатно.

Газы — плохие проводники тепла. И если какие-то изменения в газе происходят быстро, то приближенно можно считать и этот процесс адиабатным.

Вот теперь можно вернуться к облакам. От земли поднимается большая масса воздуха. В этом воздухе имеются водяные пары. Поднимаясь вверх, воздух расширяется, так как над землей давление атмосферы меньше. А еще Бойль и Мариотт показали, что в этом случае газ должен расшириться.

Расширение происходит быстро. Значит, можно сказать, что процесс приблизительно адиабатный. И температура газа падает. А раз упала температура, часть водяного пара перейдет в жидкое состояние. Ненасыщенный пар станет насыщенным. Вот и появились маленькие капельки воды, которые потом в конце концов сливаются в большое облако.

Так охлаждается газ при адиабатном расширении. Мы убедимся дальше, насколько важен этот процесс.

С адиабатным сжатием мы все хорошо знакомы. Не верите?

Сейчас я это докажу.

Каждый из вас, разумеется, играет в футбол и волейбол. Так ведь? Даже странно задавать подобные вопросы. И мячи не раз надували. Вспомните, что происходит, если проделать это достаточно быстро. Нагревается камера, не так ли? Вот он — адиабатный процесс. Ртом мы забираем порцию воздуха и загоняем ее внутрь мяча. При этом газ сжимается, молекулы сближаются. Их внутренняя энергия увеличивается. А поскольку все происходит быстро, воздух не успевает поделиться теплом с окружающим пространством и нагревается.