книги / Ниже 120 по Кельвину

в горячих цехах, на приборостроительных заводах, в вы­ числительных центрах. Понижение температуры требует­ ся при производстве целлюлозы, аммиака, этилена, азот­ ной кислоты, синтетического каучука, пластмасс, хими­ ческих волокон, красителей, витаминов и многих других веществ.

...Надежная длительная работа мощных электриче­ ских генераторов, в частности, на тепловых и атомных электростанциях. Перерыв в подаче охлаждающей воды немедленно вызывает аварию.

...Сжиженный пропан-бутан или природный газ — прекрасное дешевое топливо для автомобилей. Его при­ менение позволяет в 5—6 раз уменьшить токсичность выб­ росов, расход масла, продлевать срок службы двигателей внутреннего сгорания.

...Летние и закрытые катки с искусственным льдом.

...Сублимационная сушка вымораживанием с исполь­ зованием глубокого вакуума, при которой сохраняются основные питательные свойства продуктов и даже их аромат и внешний вид. Высушенные молоко, творог, мя­ со, овощи, фрукты нужны космонавтам, полярникам, ге­ ологам, альпинистам, жителям северных городов.

...Обработка с самолетов двуокисью углерода — «су­ хим льдом» позволяет очистить небо от плотной облач­ ности. Так «сделали погоду» в Москве 27 июля 1985 г. в день открытия XII Всемирного фестиваля молодежи и студентов.

...Очистка загрязненных вод. Температура замерза­ ния воды и растворенных в ней веществ разная, что дает возможность разделить воду и загрязняющие вещества.

...Опреснение соленой воды.

...Холодильные камеры, в которых испытываются все­ возможные изделия — от стратегических бомбардиров­ щиков до переносных радиоприемников.

Майкл Фарадей сумел получить температуры, близкие к криогенным. Любознательность заставляла ученых ста­ вить все новые опыты, осваивать более глубокий холод.

Но была и другая, быть может, не осознанная иссле­ дователями необходимость получения криогенных темпе­ ратур. Человечество в конце XIX в. нуждалось в резкой интенсификации промышленности и сельского хозяйства. А для этого были необходимы в огромных объемах кис­ лород и азот. Эти газы в нужных количествах можно было получить только из воздуха путем его сжижения.

21

Глава 2

Т=90 К

ДЖОЗЕФ ПРИСТЛИ И АНТУАН ЛАВУАЗЬЕ. ЛУИ КАЛЬЕТЕ. СТАНОВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЖИДКОГО ВОЗДУХА. КОНСТАНТИН ЭДУ­ АРДОВИЧ ЦИОЛКОВСКИЙ. ПЕТР ЛЕОНИДОВИЧ КАПИЦА. МОЩЬ КИСЛОРОДА

ДЖОЗЕФ ПРИСТЛИ И АНТУАН ЛАВУАЗЬЕ

Честь открытия кислорода принадлежит химику-лю- бителю, в будущем почетному члену Петербургской Ака­ демии наук Джозефу Пристли (1733—1804). (Чуть позже Пристли шведский аптекарь и химик Карл Вильгельм Шееле (1742—1786) опубликовал «Химический трактат о воздухе и огне», где писал о кислороде, который полу­ чал различными способами еще в 1772 г.) Дж. Пристли родился в Англии, близ Лидса, в семье кальвинистов. Маленький Джозеф с удивительной легкостью запоминал длинные молитвы из катехизиса, позже изучал филосо­ фию, литературу, языкознание, теологию, сочинял стихи. В двадцать два года за свои независимые взгляды юноша был отлучен от церкви, предан вечному проклятию и стал настоятелем одной из религиозных сект. Молодой чело­ век знал девять языков и среди них итальянский, фран­ цузский, арабский, сирийский, халдейский языки, состав­ лял английскую грамматику. В академии он прослушал несколько лекций по элементарной химии.

Джозеф Пристли критически относился к англикан­ ской церкви и восторженно принял французскую револю­ цию. В проповедях он говорил о свободе, равенстве, брат­ стве. Пристли выступил и против позорной торговли чер­ нокожими рабами. Республиканцы дали ему французское гражданство и предложили представлять департамент Орн в Национальном собрании.

Ненависть реакционеров к нему была столь велика, что 14 июля 1791 г., когда праздновалась годовщина взя­

22

тия Бастилии, дом Джозефа Пристли в Бирмингеме был подожжен, и в огне погибли его научные записки, библи­ отека, научные приборы. Ученому, которого объявили еретиком и «соратником дьявола», едва удалось спастись от ярости толпы... В 1794 г. он был вынужден эмигриро­ вать в Соединенные Штаты Америки, где и жил до конца своих дней.

Несмотря на свою занятость, Джозеф Пристли живо интересовался научными опытами. Так, он написал «Историю и современное состояние электричества». За этот труд его избрали в Королевское общество. Известен, например, и такой факт. Рядом с его домом в Лидсе был пивоваренный завод. К изумлению членов своей общины и обывателей, ученый зажигал деревянные лучинки над пузырьками бесцветного газа, которые выделялись из чанов, в которых бродило пиво. Изучение газов — воздухов, как говорил сам Джозеф Пристли, — было его науч­ ным хобби. Он сделал несколько значительных открытий.

Однажды — это было 1 августа 1774 г. — он взял большую линзу диаметром 30,5 см и сконцентрировал солнечные лучи на красном порошке окиси ртути, поме­ щенном под стеклянным колпаком. Прибор был устроен так, что образовавшийся газ попадал в бутыль, заполнен­ ную ртутью, и скапливался над ней. «...Я попытался из­ влечь воздух из ртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Ка­ ково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению», — писал ученый в своем отчете.

Это побудило любознательного ученого к новым опы­ там. Раскаленный каменный уголь в атмосфере «возду­ ха» заискрил, затрещал и быстро сгорел. Нагретая добе­ ла проволока запылала как «одержимая духами». Подоб­ ные опыты взволновали ученого. Рассказывают, Джозеф Пристли танцевал от радости, когда выделялся этот газ — кислород.

Существует мнение: с этой горящей в кислороде све­ чи началась революция в химии. Джозеф Пристли писал: «Может быть, это и есть тОт «воздух», который является причиной способности атмосферы поддерживать жизнь. Я должен испытать, насколько полезным для здоровья является этот «воздух».

В марте 1775 г. в замке лорда Шельбруна, у которо­

23

го ученый состоял на службе, Джозеф Пристли поста­ вил весьма необычный по тем временам опыт. Ночью он расставил в замке мышеловки. Взял два стеклянных со­ суда, один из которых наполнил кислородом; в другом был обыкновенный воздух. Оба сосуда, внутри которых плавали платформы, ученый опрокинул над водой. Одну пойманную мышь Джозеф Пристли быстро посадил на платформу в сосуд с чистым кислородом, другую — в со­ суд с воздухом. В ожидании результатов, сидя на стуле, ученый играл на флейте.

Через четверть часа у мышки, помещенной в сосуд с обычным воздухом, началась агония. Ученый вытащил ее наружу. Увы, слишком поздно. А мышка в сосуде с чистым кислородом продолжала двигаться. Однако че­ рез полчаса и у нее появились признаки усталости. Вот и она без признаков жизни. Ученый вытащил подопыт­ ное животное и попытался отогреть его. Мышка ожила...

Пристли убедился, что кислород необходим для жиз­ ни животных. Одержимый своими опытами, ученый ре­ шается испытать вновь открытый газ на себе. «Мне ка­ залось, что некоторое время потом я дышал чрезвычай­ но свободно и легко. Кто знает, может быть, этот чистый «воздух» станет со временем модным предметом роско­ ши. До сих пор еще только моя мышь и я пользовались привилегией дышать им», — так пишет Джозеф Пристли. «Он может быть очень полезным при некоторых тяже­ лых болезнях легких, когда обычный воздух не может до­ статочно быстро удалять флогистированные испорчен­ ные испарения». Кислород, по мнению ученого, «в пять или шесть раз лучше, чем обычный воздух». Пристли предложил снабдить кислородом пару раздувальных ме­ хов, чтобы увеличить жар в кузнице. Опыты с кислоро­ дом принесли ученому громкую славу.

Когда лорд Шельбрун отправился в Европу, Пристли сопровождал его. В Париже в лаборатории одного из основоположников современной химии Лавуазье (1743— —1794) в присутствии многих ученых он показал свои наиболее интересные опыты. Пристли ничего не скрыл от своих коллег, «не имея в то время никакого представле­ ния, куда приведут эти замечательные опыты».

Во время совместного обеда Лавуазье выслушал При­ стли с величайшим вниманием. Когда англичанин ушел, он вернулся в лабораторию, разжег печь и повторил все его опыты.

24

...Антуан Лоран Лавуазье родился в богатой семье адвоката. В доме отца часто бывали одаренные, высо­ кообразованные люди, которые обсуждали новости поли­ тики и науки. Мальчик выделялся смышленостью и спо­ собностями. По окончании колледжа Антуан поступил в Сорбонну, в 1763 г. стал бакалавром прав, в следующем году — лиценциатом прав. Но при этом изучал естествен­ ные науки, увлечения юноши были самыми разнообраз­ ными. Он участвовал в геологической экскурсии в Эльза­ се и Лотарингии, в 22 года сделал сообщение в Акаде­

чтобы усилить чувствительность своего зрения в опытах со светом, он добровольно заточил себя на полтора ме­

ных из воды загрязнений. Только в 23 года А. Лавуазье начал заниматься химией. Его жена разделяла увлечен­ ность мужа и помогала ему в опытах. Сохранилась пре­ красная картина кисти Давида: ученый в своей химиче­ ской лаборатории, а рядом с ним очаровательная мо­ лодая женщина. Супруги жили на широкую ногу, в до­ ме часто бывали гости.

А. Лавуазье ввел количественные методы исследова­ ний— химия становилась точной наукой. Ученый обла­ дал редчайшим даром обобщать свои и чужие труды, находить объяснение явлениям, доходить до самой их сути. Член Парижской академии наук, а с 1785 г. ее ди­ ректор, А. Лавуазье основал знаменитый журнал «Анна­ лы химии», написал «Начальный учебник химии». Науч­ ные труды ученого написаны прекрасным языком, ясно, образно. Он создал их столько, что в сборнике Париж­ ской академии за 1782 г. есть замечание, что «невозмож­ но напечатать все мемуары г. Лавуазье».

А между тем ученый являлся еще и депутатом Учре­ дительного собрания, членом различных комиссий, на­ пример по воздухоплаванию, работал над введением мет­ рической системы мер. Он же «главный распорядитель порохов», ему удалось улучшить производство пороха и удешевить его.

Особо надо отметить, что ученый был крупным фи­ нансистом, занимая должность генерального откупщика.

25

Откупщики имели исключительное право собирать с на­ селения налоги, контролировать продажу определенных товаров. Они вносили деньги в казну, разумеется, не без корысти для себя. Обездоленный, нищий народ ненави­ дел А. Лавуазье, как и других откупщиков.

Впрочем, существует и другая точка зрения. Вот что,

зье... конечно, имеет не один миллион, но богатство не прохлаждает ревностной любови его к наукам: оно слу­ жит ему только средством к размножению их благо­ творных действий. Химические опыты требуют иногда больших издержек. Лавуазье ничего не жалеет... Я всег­ да готов плакать от сердечного удовольствия, видя, как науки соединяют людей... Наука — святое дело». И да­ лее: «Слава Лавуазье пристрастила многих здешних дам к химии, так что года за два перед сим красавицы люби­ ли изъяснять нежные движения сердец своих химически­ ми операциями».

Чтобы все успеть, ученый придерживался строгого распорядка дня. Так, на занятия химией отведено время с 6 до 9 утра, с 7 до 10 вечера и один день в неделю пол­ ностью.

Еще до опытов Дж. Пристли А. Лавуазье стал со­ мневаться в существовании флогистона — «огненной ма­ терии». Он тщательно взвешивал (и неоднократно пере­ проверял) массы веществ, участвующих в химических реакциях. Так ученый установил: при горении серы, фос­ фора, угля масса веществ увеличивалась — этот факт ускользал от других исследователей, а ведь он опровер­ гал теорию флогистона.

А. Лавуазье первый понял, что горение —это соеди­ нение кислорода с веществом. В 1774 г. он опубликовал статью «О природе начала, которое соединяется с метал­ лами во время их обжигания и увеличивает их вес». Ве­ ликий химик назвал это «начало» жизненным газом, хо­ рошим воздухом, затем кислородом. (Его предшествен­ ники говорили «райский воздух» (К. В. Шееле), «дефлогистированный воздух» (Дж. Пристли)

В 1783 г. в «Размышлении о флогистоне» ученый пи­ шет так: «...химики сделали из флогистона туманное, строго не определенное начало и, следовательно, пригод­ ное для всех объяснений: то это начало весомо, то неве­ сомо; то это свободный огонь, то это огонь, соединенный

26

с землистым элементом; то оно проходит через поры со­ судов, то они непроницаемы для него». «Но если в химии все объясняется удовлетворительным образом без помо­ щи флогистона, то одно это означает бесконечно боль­

цию, неосновательное предположение...» Ф. Энгельс писал, что А. Лавуазье «впервые поставил

на ноги всю химию, которая в своей флогистонической форме стояла на голове».

В своих работах по исследованию атмосферного воз­ духа ученый написал такие пророческие слова: «Если бы мы смогли поместить Землю в некую весьма холодную область, то все наши реки и океаны превратились бы в горы. Воздух перестал бы быть невидимым и превратил­ ся бы в жидкость».

В 1794 г. Конвент разбирал дело откупщиков, кото­ рые скопили в своих руках огромные богатства. Они об­ винялись в том, что, «стремясь благоприятствовать успе­ хам врагов Франции», они обирали народ — «дабы от­ нять у нации суммы, громадные и необходимые для вой­ ны против коалиции деспотов и доставить эти суммы этим последним».

Два дня А. Лавуазье прятался в одном из потаенных помещений Лувра. Друзья предлагали ему бежать за границу. Узнав, что его коллеги по «Компании откупов» арестованы, ученый сам сдался властям. 6 мая 1794 г. трибунал приговорил А. Лавуазье и других откупщиков к смерти. Химик Лаузейль и еще несколько ученых на­ писали просьбу в Комитет общественной безопасности об отсрочке казни. Им ответили: «Республика не нужда­ ется в химиках». Через два дня А. Лавуазье мужествен­ но принял смерть на гильотине. Ему было всего 50 лет...

Через два года великий химик был посмертно реаби­ литирован. «Всего мгновение потребовалось им, чтобы срубить эту голову, а и во сто лет не будет такой дру­ гой»,—сказал математик Жозеф Луи Лагранж.

ЛУИ НАЛЬЕТЕ

24 декабря 1877 г. В этот день на собрании Париж­ ской академии наук произошел случай, беспрецедентный в истории науки.

Зачитывалось сообщение нового члена-корреспонден-

27

та горного инженера из города Шатильона на Сене Л. Кальете (1832—1913) о сжижении кислорода. Важ­ ная проблема сжижения кислорода оказалась разрешен­ ной при помощи довольно простого аппарата.

Затем секретарь сообщил, что два дня назад из Же­ невы доставлена телеграмма следующего содержания: «Сегодня получен жидкий кислород при давлении 320 атм и температуре — 140° С* при использовании сернистой и угольной кислот. Рауль Пикте».

Чтобы оценить научные достижения Луи Кальете и Рауля Пикте (1846—1929), надо вспомнить, сколько бесплодных усилий за три десятилетия предприняли уче­ ные для покорения «упрямых» газов.

Так, Эме в 1843 г. наполнял кислородом и азотом спе­ циальные цилиндры и опускал их в океан. Давление бо­ лее чем двухкилометровой толщи воды оказалось бес­ сильным...

Венский врач Наттерер создал компрессор высокого давления, дабы «дать в руки друзей физики и химии клю­ чи к устранению всех препятствий». В 1854 г. изобрета­ тель на одном из своих аппаратов сумел развить чудо­ вищное по тем временам давление 294 МПа! Плотность воздуха стала больше, чем у воды, он сжался до нич­ тожной доли первоначального объема, но не сдался. Во­ истину кислород и азот казались «непокорными», «по­ стоянными» газами. (В то время было неизвестно, что, если температура выше критической, при любом давле­ нии невозможно сжижить газ.)

Благородные инертные газы могли бы тоже попол­ нить список «постоянных» газов. Но они были открыты уже тогда, когда «упрямые» газы сдались ученым.

Луи Кальете родился в Шатильоне на Сене в семье крупного промышленника. После окончания горного ин­ ститута он становится управляющим чугунолитейными заводами своего отца. Л. Кальете интересуется высоко­ температурными процессами в доменных печах, за свои научные труды избирается в Парижскую академию наук. Но истинную славу ученому принесли исследования в об­ ласти низких температур.

Его аппарат (рис. 5) состоит из стального сосуда со ртутью, которая с помощью гидравлического пресса мо­ жет быть вытеснена в узкую стеклянную трубку с испы-

* 320 атм « 31 МПа; 140°С = 133 К.

28

Рис. 5. Аппарат Кальете

туемым газом. Эта трубка помещена внутри толстостен­ ного стеклянного сосуда, что позволяло наблюдать за всеми превращениями газа. В аппарате Л. Кальете имел­ ся также кран для снятия давления воды, подаваемой гидравлическим прессом.

Ученый, так же как и его предшественники, хотел до­ биться сжижения газов посредством высокого давления.

Вот один из опытов с ацетиленом. Л. Кальете под­ нял давление почти до 6 МПа. Но тут случилось непред­ виденное. По одной версии сам экспериментатор нечаян­ но открыл кран для спуска давления, по другой — в ап­ парате где-то прорвало уплотнение. Как бы то ни было, ацетилен внезапно расширился... Неудача?! Но прозор­ ливый Кальете успел заметить то, на что другие ученые, вероятно, могли и не обратить внимания. В трубочке об­ разовалось легкое белое облачко, которое тут же рассе­ ялось...

Конденсировалась вода? Или выделилась другая при­ месь? Из лаборатории, основанной знаменитым химиком

29

Клодом Луи Бертолле, ученому поставляли чистый аце­ тилен. И опять на мгновение туманный след в пробир­ ке... Луи Кальете понял: когда газ внезапно расширяет­ ся, совершается работа против давления атмосферы, внутренняя энергия расходуется, энтропия уменьшается, вследствие этого он интенсивно охлаждается и сжижа­ ется.

Получив столь простой и эффективный метод сжи­ жения, ученый немедленно принялся за опыты с кисло­ родом и окисью углерода. Он сжимает газ до 20 МПа, охлаждает двуокисью серы до 244 К» с волнением от­ крывает спускной кран в своем аппарате. «Я не видел жидкости, — писал ученый Сент-Клер Девилю об опыте, выполненном 2 декабря 1877 г., — но образовавшаяся в этих условиях пыль была столь плотной, что я мог вы­ вести заключение о наличии пара, близкого к точке сжи­ жения».

А Рауль Пикте шел к той же цели совсем по-другому. Он создал каскадную установку. В первом каскаде для понижения температуры использовалась двуокись серы, во втором — двуокись углерода. Последующий каскад охлаждался предыдущим. Когда Р. Пикте открыл иголь­ чатый кран, закрывающий вход в сосуд с охлажденным сжатым кислородом, он видел прозрачную струю газа,

вцентре которой белел кислородный туман.

Вдальнейших опытах исследователь пытался сжи­ жать и водород. Ему показалось, что этот газ шел из его аппарата в виде непрозрачной струи с сине-стальной

окраской и опускался на пол с треском, похожим на падение металлической дроби. Явно Рауль Пикте выдал желаемое за действительное: в то время многие химики считали водород металлом.

Л. Кальете воспроизвел свои опыты перед аудиторией восторженных ученых, он сжижил метан, воздух, азот. В присутствии комиссии ученых из Парижской академии наук была предпринята попытка сжижить водород. Бы­ ли обнаружены признаки начального сжижения в виде «чрезвычайно тонкого и нежного тумана, который за­ полнил трубку и мгновенно исчез».

А Рауль Пикте дополнил свою установку третьим ка­ скадом. Его эффектные, но, к сожалению, не очень точ­ ные опыты продолжались. Все же ему удалось сжижить воздух. На том же заседании Парижской академии наук физик Жюль Селестен Жамэн справедливо заметил, что

30