Вблизи абсолютного нуля

Правда, в действительности полностью процессы адиабатными не бывают. Все-таки любая изоляция пропускает тепло. Как бы газ быстро ни нагревался, он кое-что из своего тепла успеет уделить или, наоборот, воспринять от окружающих тел.

Итак, мы узнали, что, когда газ расширяется адиабатно, он охлаждается. Иногда даже очень сильно. Но все-таки этого охлаждения для очень низких температур не хватит. Тогда ученые нашли еще одну возможность охладить газ. Гораздо сильнее, чем при обычном адиабатном расширении. Натолкнули их на этот эффект все те же пористые материалы.

Опять двое ученых

В 1852 году два английских ученых — Джеймс Джоуль и Уильям Томсон — изучали поведение различных газов.

Газы были очень популярны в лабораториях того времени. Пожалуй, как сейчас атомы. Но надо сказать, что вся атомная физика и теория строения вещества родились лишь после того, как ученые самым тщательным образом исследовали всевозможные явления, происходящие в газах. Это неудивительно. Ведь молекулам газа «дышится» свободнее, чем в жидкостях и твердых телах. Поэтому изучать жизнь молекул удобнее всего именно в газах. Но ученые еще не заглядывали так далеко в глубь вещества. Их интересовали газы как таковые.

В числе других опытов, которые проделывали Джоуль и Томсон (тот самый, что позже стал Кельвином), был, на первый взгляд, странный эксперимент.

Ученые перегоняли газы через пористую перегородку. Вернее, сначала они представляли газам возможность самим совершать это путешествие. А потом подгоняли их с помощью сильного давления. Ученые заметили, что с газами при этом происходят весьма существенные изменения. Чаще всего они охлаждаются. А некоторые нагреваются. Причем это зависит не только от вида газа, но и от его первоначальной температуры. Английские ученые весьма основательно исследовали это явление. И называется оно с тех пор в их честь эффектом Джоуля — Томсона.

Разумеется, за него разом ухватились конструкторы различных холодильных аппаратов. В технике этот процесс именуется дросселированием.

Слово «дроссель» означает регулятор. Дросселями регулируют потоки жидкости, давление в жидкостях. Течет, скажем, по трубе вода. А в середине трубы — заслонка. Она задерживает течение, пускает то больше воды, то меньше. Это и есть дроссель.

Сначала ученые для охлаждения действительно просто перегоняли газы через пористую перегородку. Вроде того самого кувшина, о котором мы говорили, когда знакомились с археологами. Вообще говоря, эта перегородка удерживает газы. Но в ней есть поры. И через поры газ может понемногу просачиваться.

Сейчас используют специальные устройства — вентили. Это узкая щель, которую можно увеличивать или уменьшать. Газ сначала сильно сжимают, а потом пускают через вентиль. Он проскакивает вентиль и расширяется. Тут-то и происходит охлаждение.

И опять-таки понятно почему.

Обмена тепловой энергией с внешним миром нет. Происходит адиабатный процесс. Внутренняя работа, которую газ совершает здесь, гораздо больше, чем при обычном адиабатном расширении. Очень сильно падает давление газа. Газ расширяется резко. Его молекулы удаляются друг от друга на большие расстояния. Кроме того, часть внутренней энергии газа расходуется, чтобы пробраться через щель. И в результате температура падает. Чтобы дросселирование проходило хорошо, нужно одно условие. Чем ниже первоначальная температура газа, тем сильнее он охлаждается, а иногда, как вы знаете, это необходимо, чтобы он вообще начал охлаждаться.

Для резкого охлаждения надо добиваться большой разности давлений. Скажем, газ продувают под давлением, в сто раз большим, чем давление газа на другой стороне вентиля. Вот тогда и температура понизится заметно.

Дросселирование как будто совсем незнакомое явление. Но и с ним опять-таки каждый не раз встречался. Правда, небольшой это эффект, но все-таки заметить его можно. Если дунуть на руку через сильно сжатые губы, то рука почувствует холодок. Во-первых, это произойдет из-за того, что руку будет охлаждать сильная струя воздуха. А во-вторых, появится и дросселирование, так как воздух мы пропускаем через вентиль — наши сжатые губы. Давление воздуха во рту гораздо больше комнатного. Не зря же мы так сильно дуем.

Если вдуматься, то нет ничего удивительного, что, проходя перегородку, газ охлаждается.

Вспомните, сколько потов сойдет, пока проберешься сквозь густой кустарник. А, думаете, молекулам газа легче?

«Честный» труд газа

Дросселирование, адиабатный процесс — что-то вроде обходных путей. Мы старались заставить газ совершать внутреннюю работу, отнимали у него тепло необычным образом.

Это все очень интересно. Однако способ дросселирования не такой уж удобный, как кажется. Повышать давление газа надо? Надо. А для этого приходится сооружать специальные громоздкие насосы — компрессоры. Потом, не все газы такие покладистые. Еще Джоуль и Томсон отметили, что они весьма капризны. Одному достаточно комнатной температуры, и можно посылать его к дросселю для охлаждения. А другой требует, чтобы его сначала сильно охладили. В противном случае, пройдя дроссель, капризуля-газ даже нагреется, сумеет забрать тепло со стороны.

А почему бы не подействовать попросту? Дадим газу честно поработать. Пусть себе потрудится «в поте лица своего»! Скажем, пусть он двигает поршень. Самый обыкновенный поршень, какие встречаются во всех двигателях. И в автомобиле, и в мотоцикле, и во всех старых самолетах.

Что там происходит? Взрывается смесь бензина с воздухом. Газ расширяется и резко двигает поршень в цилиндре. А там уже стоит передача, и каждый толчок газа передается колесам.

Неплохо бы такую же работу предложить газу для охлаждения. Пусть поработает. Но здесь надо обязательно как-то изолировать газ, чтобы он не получил помощи извне. Пусть и внешняя работа происходит только за счет внутренней энергии газа.

Короче говоря, опять надо постараться, чтобы процесс был адиабатным.

Так и появились специальные установки для внешней работы газа. Конечно, в этом случае поработает газ на копейку. Но это проделывается лишь для того, чтобы понизить его температуру, охладить посильнее.

В технике охлаждения, а называется она криогенной, у подобных поршней есть свое имя — детандеры.

Общий вид их примерно одинаков. Во всяком случае, всегда можно догадаться, для чего такое устройство служит.

Имеется цилиндр, а внутри его поршень. Поршень может перемещаться. Но не свободно. Его придерживают. Иногда таким тормозом служит вода. Это — гидравлический тормоз. Чтобы столкнуть поршень, газу надо преодолеть сопротивление воды, сдвинуть ее с места. «Это можно сделать — только соверши работу, охладись» — так говорит газу вода.

Пожалуй, чаще встречаются тормоза электромагнитные. Противодействует работе газа обычный маленький электромагнит.

А дальше все происходит так же, как и с тормозом гидравлическим. Газу ведь все равно, что там мешает работать, почему поршень сопротивляется его усилиям. Дело газа — давить на дно поршня, двигать его и… охлаждаться.

Некоторые, конечно, удивятся. Зачем придерживать поршень? Пустить его свободно. Но ведь наша задача — заставить газ работать посильнее, чтобы он тратил побольше энергии. Поэтому мы и создаем всяческие неприятности, «ставим палки в колеса».

В детандерах лучше, удобнее охлаждать газы. Правда, здесь приходится совершать лишнюю работу — «снабжать» энергией тормоз поршня. Но эта работа окупается хорошим охлаждением.

Кроме того, у детандеров есть еще одно важное преимущество перед дроссельными установками. Не надо газ ни сильно охлаждать предварительно, ни загонять в мощные компрессоры для сжатия. А детандерам нужно лишь некоторое предварительное охлаждение. Немного увеличить давление газа тоже неплохо. Но это уже дело нехитрое.

В технике существует много разных видов детандеров. Их описания занимают толстые книги. Но вот один из них нам особенно важен.

Потому что сделал его впервые замечательный советский ученый академик Петр Леонидович Капица.

И называется этот детандер турбодетандером.

С Петром Леонидовичем Капицей мы познакомимся, когда посетим институт, который он организовал, институт, где академик Капица — бессменный директор.

Это основной мировой научный центр по сверххолоду — Институт физических проблем. Там работают экспериментаторы, замечательные отважные исследователи «странного мира» сверхнизких температур. И теоретики, объясняющие чудеса этого странного мира. Инженеры института создают прекрасные установки, с помощью которых можно получать сверхнизкие температуры. Именно здесь П. Л. Капица создал первый турбодетандер.

Это устройство отличается от всех прочих детандеров одним — вместо поршня стоит там маленькая турбинка.

Удобно ли это? Да, конечно! Турбинка занимает меньше места, установка компактнее. Кажется, выгода невелика. Что же, в лабораториях жилищный кризис, что ли? Но когда речь идет о температурах, уже совсем близких к абсолютному нулю, чем меньше установка, тем лучше. Ее легче изолировать от окружающего тепла.

С турбинами удобнее работать, так считают ученые. Обычные детандеры гораздо капризнее. Наконец, у турбин больше коэффициент полезного действия. Они экономичнее и выгоднее.

Петр Леонидович Капица высказал еще одну очень интересную мысль. Он сказал, что турбодетандеры надо в первую очередь использовать для сжижения воздуха. И вот почему.

Воздух — газ. Но в холодильных машинах он попадает в особые условия. И в этих условиях воздух больше напоминает не газ, а… воду. Он ближе к воде по своим свойствам. Поэтому резонно использовать водяные турбины, строить детандеры вроде обычных турбин наших гидроэлектростанций, которые вырабатывают электрический ток.

Работает турбодетандер примерно так.

Сначала газ попадает на лопатки турбинного колеса, вращает колесо, отдает часть своей энергии, охлаждается. Но на этом путь очередной порции газа не кончается. Ее ждут специальные каналы. Газ врывается в каналы и расширяется там. Ему предоставлена такая возможность. Расширение адиабатное, газ, естественно, охлаждается еще сильнее. И окончательно обессилев, стекает каплями жидкости.

Конечно, вы понимаете, что в холодильных установках встречаются и дроссели, и детандеры, и турбодетандеры. У всякого есть свои преимущества и недостатки. Часто даже в одной и той же машине дружно работают детандер и дроссельная установка. Они весьма мирно уживаются, даже помогают друг другу.

Самые распространенные холодильные машины поставляют жидкий воздух. Потом уже из него готовят отдельно кислород, азот и другие «жидкости». Правда, странно называть жидкостью вещества, которые мы привыкли «видеть» газами. Но мы сейчас уже на подступах к абсолютному нулю. Поэтому надо привыкать к новому миру.

Минус сто девяносто один градус по Цельсию — 82 градуса Кельвина. Вот где мы сейчас находимся. Это температура жидкого воздуха.

Первая машина жидкого воздуха появилась около семидесяти лет назад. Сделал ее немецкий ученый Карл Линде.

Воздух капает из крана

1891 год. В стране сверххолода большой праздник. Из крана небольшой установки, носящей имя конструктора инженера Линде, падают первые капли новой жидкости— капли жидкого воздуха.

Немецкий инженер в первой машине жидкого воздуха воспользовался эффектом Джоуля — Томсона.

Кажется, что проще всего было создать детандер, где газ совершает внешнюю работу. Ведь двигатели внутреннего сгорания тогда уже работали вовсю. Но детандер появился позже.

Мы помним недостатки дросселирования. Надо сильно сжимать газ и хорошо охлаждать предварительно. Иначе ничего не выйдет.

Поэтому никто не удивится, если мы скажем, что самой важной частью машины Линде был теплообменник.

Линде заставил воздух проходить по установке несколько раз. Каждый раз порция газа становилась все холоднее и холоднее и охлаждала следующую. Так машина готовила воздух для ответственного шага. В дроссель подходил воздух, вполне подготовленный к дальнейшему. Еще одна ступень, еще раз понизилась температура. И вот победа. Первые капли первого жидкого воздуха.

Теплообменники до сих пор — самая хитрая часть конструкции любой холодильной машины. Машин множество. Конструкторы смело мешают детандеры и дроссели, заставляют газ путешествовать но замысловатым путям. Но неизменно стоит на этом пути теплообменник.

Итак, в руках ученых появилась новая сверххолодная жидкость — воздух.

Обычный газообразный воздух каждому знаком с первой минуты рождения. Правда, мы как будто не замечаем его. Просто привыкли. А вот воздух жидкий — новое незнакомое для нас вещество. Поэтому давайте познакомимся поближе с ним и его привычками.

Вот он, там, в глубине этого блестящего сосуда. Сосуд Дьюара или, попросту, дьюар. Джеймс Дьюар — английский ученый. Он когда-то первым получил жидкий водород. Но об этом давно забыли. И так же забыто было бы имя Дьюара, если бы не изобрел он помещение — ловушку для жидких газов. Там два цилиндрических сосуда. Один вставлен в другой. А между ними безвоздушное пространство — вакуум. Или специальные прокладки, через которые не сможет пробраться тепло.

Дьюар блестит, потому что его наружная стенка посеребренная. Помните, мы говорили, что один из способов передачи тепла — лучеиспускание. Так, например, Солнце издалека обогревает Землю. Блестящая поверхность дьюара хорошо отражает попавшие на нее световые и тепловые лучи. Поэтому дьюар не будет нагреваться снаружи.

Дьюар находится в открытом ящике, заполненном ватой и сухим льдом. Это еще одна теплоизоляция, еще один слой отделяет жидкий воздух от теплой комнаты. Окружен дьюар сухим льдом с температурой —78°. Все-таки не +20°! Это уже лучше.

Из дьюара вьется легкий дымок. Никакой крышки у сосуда нет. Она не нужна и даже опасна. Испаряющийся воздух может сорвать любую крышку. В виде жидкости много места он не занимает. А станет газом — потребует «жилплощади». И может наделать бед.

Помните, что случилось с мистером Бэйли из романа А. Беляева «Продавец воздуха»? Он проглотил несколько бисеринок твердого воздуха. И гнусного негодяя немедленно раздуло так, что он лопнул с треском. Воздух снова стал газом, и — исчез мистер Бэйли!

Поэтому сосуды для хранения жидких газов и их перевозки делают обязательно такими, чтобы газ мог при случае спокойно испаряться, покидая свое хранилище. Но больших потерь при этом не происходит.

Итак, мы заглянули внутрь сосуда, в котором дымит жидкий воздух. Минус 190 градусов! Даже с лишком. Внушительная температура!

Испытываешь желание сунуть в жидкий воздух палец. Но этого делать не следует. Вот плеснуть на руку его можно. Чуть обожжет руку — и нет жидкого воздуха. Весь испарился. Только легкий пар поднялся. Можно вылить немного жидкого воздуха, скажем, на блюдце. Он быстро-быстро испаряется.

Ртуть жидкая. Это знают все — если разобьешь термометр, потом долго приходится собирать быструю, юркую жидкость. Но стоит только опустить ртуть в жидкий воздух, как она моментально замерзает.

Обычно на популярных лекциях из ртути изготовляют молоточек, и лектор торжественно забивает им гвоздь.

Но вот в жидкий воздух попала резинка. Самая обыкновенная резинка, которую мы называем ластиком. И погиб ластик. Резина, побывав в жидком воздухе, перестает быть эластичной, она крошится, ломается. Особые структурные связи между молекулами нарушились, пропали. Резина перестала быть резиной. И при нормальной температуре осталась такой же хрупкой, ломкой. Даже самая крепкая сталь, встретившись с жидким воздухом, становится такой же хрупкой, как графит наших карандашей.

Одним словом, с материалом творятся истинные чудеса.

Жидкий воздух добывают сейчас в больших количествах в основном для того, чтобы разделить газы воздуха, чтобы получить отдельно кислород и азот.

С первого взгляда это кажется очень странным. Посудите сами: чтобы разделить два основных газа, смесь которых и называется воздухом, их сначала надо сложным образом охладить, чтобы сделались они жидкими, отделить один от другого, а потом уже использовать, чаще всего снова в виде газа.

Но, оказывается, разделять газы дешевле именно таким, на первый взгляд достаточно сложным, способом.

Кислород — газ жизни

Кислород — газ жизни, газ живой природы. Это знают все. Любой лектор, рассказывая о жизни на других планетах, начинает с кислорода. Действительно, без кислорода человек существовать не может. Альпинисты, уходя в горы, берут с собой кислородные аппараты. Кислородом дышит летчик в высотном полете. Больные используют кислородные подушки. После операций сердца больных держат но нескольку дней в особых кислородных палатках. Правда, если употреблять очень много кислорода, то может наступить и опьянение. Помните, как в романе Жюля Верна «Вокруг Луны» веселились опьяневшие Николь Барбикен и Ардан. Они забыли закрыть кран кислородного аппарата. И стали очень веселыми, пели, кричали, шумели.

Однако кислород нужен не только живым существам. Без кислорода в технике сейчас буквально и шагу ступить нельзя.

Прежде всего кислород очень нужен в металлургии. Металлургия занимается выплавкой металлов. Черная металлургия интересуется чугуном и сталью. Это и есть «черные» металлы.

Получают чугун в доменных печах. Закладывают туда железную руду, поджигают топливо. От тепла руда плавится, и появляется чугун. Его разливают в специальные отливки. Так получаются различные чугунные изделия. Зачем здесь нужен кислород? А вот зачем. Чтобы топливо лучше, полнее сгорало, в него вдувают струю кислорода. Это очень хорошо действует. Для плавки в этом случае требуется меньше топлива, значит, и чугун обходится дешевле.

Из чугуна в мартеновских печах добывают сталь. Там тоже вовсю используют кислород. Кислород добавляют в воздух, который идет к топливу. Жидкий металл также продувают чистым кислородом. Значит, топлива опять тратится меньше. И выходит, это выгодно.

Сейчас сталь получают новым, конверторным способом. Конвертор напоминает большую грушу. В нее заливают жидкий чугун. Потом сверху, через горловину, вдувают кислород. Так из чугуна образуется сталь.

Конверторный способ очень удобный. Сталь получается дешевле, заводы будут дешевыми. Да и строить их, оказывается, можно быстрее, чем обычные.

Кислородной струей можно резать стальные слитки и очищать их поверхность. Если сталь сильно нагреть, а потом пустить струю кислорода, то знаете что получится? Кислород, как ножом, разрежет прочный металл.

Примеси с поверхности слитков кислород тоже снимает. Они просто сгорают в струе кислорода. Этот процесс называется огневой чисткой.

А вот кислород в цветной металлургии. Цветные металлы — цинк, медь, никель, свинец — выплавляют с помощью кислорода. И чистят кислородной струей.

Конечно, кислород используют и в химии. Прежде всего на заводах искусственных удобрений. С помощью кислорода сейчас обрабатывают топливо. Давно известно, что гораздо лучше топить газом: он хорошо сгорает, всяких отбросов после газа нет. И дыма почти нет. В общем, удобно. Ученые нашли способ, как уголь или торф переделывать в горючий газ.

Образуется он в газогенераторах. Сначала туда загружают твердое топливо, а потом вдувают кислород и водяной пар. Происходят различные химические реакции, и образуется горючий газ. Можно использовать его и для других целей. Например, изготовлять аммиак.

Подземные залежи угля тоже можно газифицировать. И тоже с помощью вездесущего кислорода.

Поистине он — газ жизни!

Как разлучить неразлучных?

«Близок локоть, да не укусишь», — говорит старая пословица. Пословица вещая и мудрая. Вот, например, кислород. Казалось бы, чего проще — достать этот газ. Одна пятая часть воздуха, 18/9 частей воды. Кругом кислород. Но из воды взять его не просто. Надо сооружать электролизные ванны, разбивать молекулы воды электрическим током. А из воздуха?

Как разделить газы воздуха, отделить их один от другого? Ответить на этот вопрос несложно.

Сначала сделаем из воздуха жидкость. А потом пусть один газ испаряется, уходит, а другой — конденсируется. За этими двумя физическими явлениями и скрывается сложный технологический процесс — разделение газов — ректификация.

Собственно говоря, ректификацией называется происходящее много раз испарение жидкости и ее конденсация.