книги / Ниже 120 по Кельвину

Рис* 2. Од/ин из опытов М. Фарадея по сжижению газов (собственноручный рисунок в лабораторном журнале)

пильником надрезал верхушку трубки, раздался взрыв. В воздухе появился резкий запах хлора, в сохранившейся части трубки — вода. На следующий день доктор Пэрис получил записку: «Сэр! Маслянистая жидкость, которой Вы вчера интересовались, оказалась жидким хлором. Преданный Вам М. Фарадей».

Вероятно, для очень многих ученых такой опыт остал­ ся бы заурядным фактом. Но проницательный Фарадей правильно его понял. Нагретый хлорный газ стремится расшириться, встречает сопротивление, его давление как бы само собой увеличивается. При этом молекулы сбли­ жаются, растут силы сцепления — на холодном конце трубки хлор сжижается. Метод очень прост: не нужны дорогие, сложные, капризные нагнетательные насосы. Фа­ радею удалось перевести в жидкое состояние сернистый водород, сернистую кислоту, закись азота, аммиак, циан, двуокись серы, углекислый газ и другие вещества (рис. 2).

Опыты были небезопасными. Запаянная стеклянная трубка с газом высокого давления'подобна снаряду. Вот записка Фарадея одному из своих приятелей: «Дорогой Хэкстэбл! В прошлую субботу у меня случился еще один взрыв, который опять поранил мне глаза. Одна из моих трубок разлетелась вдребезги с такой силой, что оскол­ ком пробило оконное стекло, точно ружейной пулей. Мне теперь лучше, и я надеюсь, что через несколько дней буду видеть так же хорошо, как и раньше. Но в первое мгно­ вение после взрыва глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков...»

Через 20 лет ученый вернулся к опытам по сжижению газов. Он усовершенствовал свой метод — использовал не только давление, но и холод. Фарадей понял: чем ниже температура, тем меньшее давление необходимо для

И

Рис. 3. Аппарат М. Фарадея для сжижения газов: 1 — Ы-образная трубка со сжиженным газом; 2 — стеклянный колокол; 3 — охлаж­ дающая смесь

сжижения. Вместо чрезмерного холода или очень высо­ кого давления можно применить одновременно не слиш­ ком низкую температуру и умеренное давление. Для охлаждения он взял смесь спирта или эфира со льдом углекислоты. На рис. 3 представлен второй аппарат Фа­ радея для сжижения газов. Газ после сушки и очистки

12

сжимался двумя насосами до 1,6—4,9 МПа и направлял­ ся в У-образную трубку, которая погружалась в охлаж­ дающую смесь. Трубка и охлаждающая смесь помеща­ лись под колоколом воздушного насоса. При откачке паров смеси она быстро испарялась, поглощая тепло, и ее температура опускалась до 163 К. До криогенных температур оставалось всего 43 градуса.

Фарадею удалось сжижить этилен, фосфористый и мышьяковистый водород, превратить в твердое состояние закись азота, углекислый газ. Однако пять известных тогда газов: метан, окись углерода, азот, кислород, водо­ род— остались непокоренными. Их называли упрямыми, непокорными, постоянными или перманентными — веч­ ными, несжижаемыми газами.

Однако Фарадей был уверен, что при глубоком ох­ лаждении эти газы удастся покорить.

КРАСИВЫЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Природа оказалась более щедрой на тепло, чем на холод. Английский ученый Н. Курти написал: «Очень часто пожар возникает даже зимой, но самопроизвольное замерзание водопровода летом воспринималось бы с по­ дозрением или почиталось бы как чудо».

Поэтому пусть читателя не смущает короткий рассказ о тепловых машинах. Они были созданы раньше холо­ дильников — тепловых машин обратного действия. Прин­ цип работы холодильника, как и тепловых машин, осно­ ван на законах термодинамики, которые были открыты применительно к тепловым машинам — изобретению вто­ рой половины XVIII в.

Доминик Араго так оценил изобретение парового дви­ гателя: «Уатт, господа, сотворил от шести до восьми мил­ лионов работников, неутомимых, прилежных, между ко­ торыми не бывает ни стачек, ни бунтов и из которых каж­ дый стоит в день только пять сантимов».

Ученые пытались усовершенствовать работу «движу­ щей силы огня» в паровых двигателях. В результате воз­ никла термодинамика — раздел физики, изучающий тео­ ретические основы тепловых машин, а затем и всех яв­ лений, связанных с изменением температуры.

Величайший физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) писал: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее посылки, чем различнее явления, между кото­

13

рыми она устанавливает связь, чем обширнее область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое про­ извела на меня термодинамика. Она единственная физи­ ческая теория универсального содержания, относительно которой я убежден, что в пределах применимости ее ос­ новных понятий она никогда не будет опровергнута».

Одним из отцов термодинамики был Бенджамин Томпсон (1753—1814) — английский физик, основатель Королевского института в Лондоне. Одно время он был военным министром в Баварии, где ему дали титул графа Румфорда. Ученого заинтересовало производство пушек. При сверлении стволов стружка нагревалась, хотя ника­ кого источника тепла не было. Попробовали сверлить пушку в воде, вода закипела. Румфорд понял: работа может переходить в тепло. Шел процесс, обратный тому, что происходит в тепловых машинах, где, наоборот, теп­ ло пара создавало работу.

Другим пионером термодинамики был немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814—1878). «Чтобы избежать жалкой участи докторишки на родине», Майер стал судо­ вым врачом. Он обратил внимание на наблюдения штур­ мана: во время бури океан греется. На острове Ява во время процедур кровопускания проницательный доктор заметил, что у туземцев кровь более светлая, чем у жи­ телей севера. «Человек — тепловая машина, — рассуждал ученый, —- но в тропиках при жаре ему нужно меньше пи­ щи. Поэтому кровь аборигенов меньше окисляется».

Подобные наблюдения привели к выводу: существует физическая величина, которая может преобразовываться из одной формы в другую и по-разному проявляться.

Сегодня первое начало термодинамики знает каждый школьник — это закон сохранения энергии. Вот одна из многих формулировок начала: полная энергия замкнутой системы при всех превращениях остается постоянной. И другая: невозможен перпетуум мобиле — вечный двига­ тель 1-го рода. Раз запущенная машина, не получая энер­ гию извне, непременно остановится. Уже в 1775 г. Па­ рижская академия наук заявила, что никогда больше не будет рассматривать проекты машин с вечным движе­ нием.

Лейтенант французского генштаба Сади Карно (1796—4832) заметил несимметричность процесса пре­ образования работы в тепло. Так, при упомянутом свер­ лении орудийных стволов вся работа превращается в теп­

14

ло. Но если сверлить стволы пушек с помощью тепловой машины, то потребуется больше тепла, так как не все тепло превращается в работу — неизбежны потери.

Второе начало термодинамики формулируется так: не существует устройства, в результате действия которого производилась бы работа только за счет охлаждения од­ ного тела без каких-либо изменений в других телах. Вот другая формулировка второго начала: невозможен пер­ петуум мобиле — вечный двигатель 2-го рода. Такие ма­ шины, имей они право на жизнь, смогли бы обеспечить человечество энергией, не нарушив первого закона термо­ динамики. Например, двигатели мощностью около 800 млн. кВт могли бы непрерывно работать сто лет только за счет снижения температуры Черного моря всего на 1 градус.

Исследования Сади Карно обобщил немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822—1888). В 1865 г. он ввел тер­ мин «энтропия» как меру необратимости энергии (в пере­ воде с греческого «поворот», «превращение»). Сам уче­ ный писал: «Слово «энтропия» я употребил для большего сходства со словом «энергия», так как обе соответствую­ щие этим названиям величины настолько близки по фи­ зическому смыслу, что требовали, по моему мнению, од­ нородных обозначений». Появилась более строгая форму­ лировка второго «начала»: в изолированной системе, не получающей энергию извне, энтропия всегда возрастает. Людвиг Больцман (1844—1906) позже уточнил: энтро­ пия — это степень неупорядоченности системы. Реальные процессы всегда идут с возрастанием энтропии, потому что хаос вероятнее порядка.

«Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому», — утверждал Рудольф Клаузиус. (В противном случае энтропия в системе будет уменьшаться.) Чтобы понизить температуру тела, надо отнять у него тепло и перенести его на более высокий температурный уровень. А для этого в соответствии с первым и вторым законами термодинамики холодильные машины должны производить работу.

Еще один фундаментальный закон — третье начало термодинамики — открыл физикохимик Нернст.

15

ВАЛЬТЕР НЕРНСТ

Вальтер Нернст родился в 1864 г. в маленьком город­ ке Бризене в Восточной.Пруссии (ныне территория Поль­ ши) в семье судьи. Мальчик отлично учился в гимназии. В юности мечтал быть поэтом, страстно любил театр. Но отдал свою жизнь науке. За внешностью мягкого наивно­ го человека скрывался гибкий, острый ум, удивительная интуиция, чувство юмора.

Вальтер Нернст был учеником знаменитого физикохимика Вильгельма Фридриха Оствальда (1853—1932). В Гёттингене Нернст основал первую лабораторию физи­ ческой химии. В новой области науки он успешно приме­ нил законы термодинамики. В 1902 г. Вальтер Нернст становится профессором физической химии в Берлине. Его научные интересы очень широки: теория электроли­ тической диссоциации,теория растворов, кинетика, ката­ лиз, термомагнитные явления, определение диэлектриче­ ской постоянной. Продуктивность ученого буквально оше­ ломляла его коллег. В частности, им написан фундамен­ тальный труд «Теоретическая химия», выдержавший много изданий.

В 1906 г. Вальтер Нернст утверждал: при абсолют­ ном нуле энтропия химически однородного тела должна быть равна нулю. Это утверждение стали называть треть­ им началом термодинамики. Вот одна из формулировок «начала»: невозможно построить такую тепловую маши­ ну, которая позволила бы охладить тело до абсолютного нуля.

Вальтер Нернст был нетерпеливым человеком: в за­ пальчивости говорил, что его интересуют лишь такие эк­ сперименты, где требуется точность больше чем 10 про­ центов. В Лейдене в лаборатории низких температур Ка- мерлинг-Оннеса он ознакомился с современными ожижи­ телями газов: оборудование, доведенное до высокой сте­ пени надежности, показалось ему невероятно сложным, ученый решил никогда не связываться с такой техникой. Но Вальтеру Нернсту нужно было измерять теплоемкости тел вблизи абсолютного нуля. Вместе со своим главным механиком Хёновым он создает сжижитель водорода собственной конструкции.

Вальтер Нернст умер в 1941 г. Он был членом Лон­ донского королевского общества, членом Берлинской академии наук, иностранным членом-корреспондентом

16

Российской АН и почетным иностранным членом АН

СССР, получил Нобелевскую премию. Тепловая теоре­ ма — третье начало термодинамики — носит имя ученого.

БЕСКОНЕЧНЫЙ ПУТЬ К АБСОЛЮТНОМУ НУЛЮ

Теорема Нернста позволила сформулировать самый общий принцип получения криогенных температур: «на­ до высасывать энтропию из системы».

Для примера рассмотрим опыты Фарадея. При повы­ шении давления сжижаемого газа движение его частиц ограничивалось в некотором объеме — энтропия умень­ шилась. А охлаждающие смеси еще больше снижали энт­ ропию, ведь они отнимали тепло.

Чем ближе к абсолютному нулю, тем труднее «выса­ сывать энтропию», тем большую работу должны произ­ водить криогенные машины. Чем глубже проникновение

внизкотемпературную область, тем меньше удельная теплоемкость вещества, тем больше надо затратить энер­ гии для достижения низкой температуры и ее поддержа­ ния, тем более совершенной должна быть теплоизоляция.

При понижении температуры большинство веществ последовательно изменяет свое агрегатное состояние: газ превращается в жидкость, затем жидкость становится твердым телом. (Например, при нормальном давлении и температуре меньше 100°С водяной пар конденсируется

вводу, при 0°С вода превращается в лед.) Температура тела есть мера кинетической энергии частиц. Температу­ ра газа относительно высока, поэтому в газообразном состоянии атомы и молекулы совершают беспорядочные движения, занимают весь возможный объем. Температу­ ра жидкости, то есть сконденсированного газа, меньше, свобода движения частиц ограничена, вещество занимает меньший объем, который определяется массой и плотно­ стью. Наконец, температура твердого тела, то есть за­ мерзшей жидкости, еще ниже, атомы располагаются в кристаллической решетке, их колебания еще более огра­ ничены (рис. 4). Нетрудно видеть, что описанный пере­ ход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается уменьшением беспорядка в расположе­ нии частиц, то есть снижением энтропии в соответствии

стретьим началом термодинамики.

Вот почему на борту ракет водород и кислород хранят в сжиженном виде. Опять-таки ради уменьшения объема

состояние

Рис. 4. Упорядочение атомов по мере сжижения и замерзания газа

метан перевозится в жидком виде специальными танке­ рами. (Существуют метановозы, перевозящие до 100 тыс. м3 газа.) А на борту советской орбитальной научной станции «Салют-4» для охлаждения инфракрасного те­ лескопа-спектрометра ИТС-К азот использовался в твер­ дой фазе.

Очень важно и другое. Чем ниже температура, тем меньше энтропия, тем больше порядка в расположении частиц и тем больше информации можно получить о ве­ ществе, о свойствах материи. В 1913 г. на церемонии вру­ чения Нобелевской премии X. Камерлинг-Оннес сказал: «Эта работа должна приподнять завесу, которой тепло­ вое движение при обычных температурах закрывает от нас внутренний мир атомов и электронов».

Позже академик П. Л. Капица о той же проблеме написал: «Когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа многих процессов не может обычно проявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощути­ мы... Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало».

ЕЩЕ О ПОЛЬЗЕ УМЕРЕННОГО ХОЛОДА

В 1941 г., когда вокруг Ленинграда сомкнулось коль­ цо блокады, сотрудники лаборатории холодильных ма­ шин Ленинградского технологического института холо­ дильной промышленности (ЛТИХП) все свое умение и знания отдавали решению важных, актуальных проблем: работа двигателей внутреннего сгорания в условиях мо­

18

роза, заживление ран холодом, изготовление «криоге­ на» — взрывчатки на основе жидкого кислорода. И вот новое сверхважное задание: повысить живучесть ледовой дороги через Ладогу, которая подвергается непрерыв­ ным бомбардировкам фашистской авиации.

Еще в первую мировую войну русские моряки ремон­ тировали поврежденные в бою корабли необычным спо­ собом: намораживая на пробоине лед. Но если лед хо­

металла? Ученые-холодильщики, проделав множество опытов в условиях лаборатории, пришли к выводу: смер­ зание льда с металлом сильнее, чем льда со льдом. Были даны практические рекомендации по ремонту пробоин от авиабомб.

В тридцатые годы в центре Магадана была построе­ на почта — первый в городе двухэтажный каменный дом с паровым отоплением. Увы, уже через год здание — гор­ дость горожан —-на глазах стало разваливаться. Заделы­ вали трещины, стягивали стены стальными обручами. Все напрасно! Долгое время никто не мог понять, в чем дело. Позже догадались: паровой котел, расположенный в подвале, растопил слой вечной мерзлоты и грунт поплыл.

Больше половины территории Советского Союза рас­ полагается в зоне вечной мерзлоты. В Якутии есть места, где даже на глубине 1,5 км термометр показывает отри­ цательную температуру. Промерзлые толщи породы — на­ следие сурового климата на нашей планете 1—1,5 млн. лет назад. Но в стылой холодной земле несметные кла­ довые алмазов, золота, олова, никеля, меди, железа, редких металлов, нефти, природного газа, угля.

Примерно в то же время, когда строилась почта в Магадане, в Якутске возводили ТЭЦ. Но инженеры при­ слушались к мнению мерзлотоведов и здание с котлами, турбинами, генераторами оторвали от земли, поставили его на сваи, так, чтобы холодный воздух свободно рас­ пространялся над поверхностью и вечная мерзлота оста­ валась нетронутой. Впервые такой метод строительства был применен в 1883 г. Ныне по этому способу сооруже­ ны современные здания в Норильске, Якутске, Магадане, построены заводы, электростанции, рудники, шахты, же­ лезнодорожные станции. Но к сожалению, и сегодня в Талнахе под Норильском, в зоне БАМа, в других ме­

стах можно видеть недавно построенные, но уже забро­ шенные дома: искореженные трещинами, перекошенные, покосившиеся. Вечная мерзлота коварна, труднопредска­ зуема, а строители не всегда учитывают ее нрав.

Как это ни парадоксально, иногда на Север прихо­ дится завозить... холодильное оборудование. От замора­ живающей станции в забитые в землю трубы направля­ ется хладагент: керосин, аммиак, хлористый кальций. Раствор, не замерзающий при минус 35—50°С, циркули­ рует несколько месяцев и забирает тепло у горных пород. Искусственный холод плюс якутский мороз создают ле­ дяную броню толщиной до 5 м, вдвое более прочную, чем кирпичная кладка. Под защитой такой брони, протянув­ шейся на сотни метров, шахтостроители могут пройти сквозь плывуны, подземные реки и озера. Искусственный холод нужен и при возведении земляных плотин гидро­ электростанций, строительстве опор ЛЭП, реставрации фундаментов домов в северных городах. С его помощью, в частности, сооружался Северо-Муйский туннель на БАМе, шахта для добычи алмазов в Мирном. Искусствен­ ное замораживание грунтов оказалось необходимым и при строительстве шахт Подмосковного угольного бас­ сейна, Донбасса, КМА, калийных предприятий в Соли­ камске и Березниках, метрополитена в некоторых городах.

Ныне в городах сооружены большие производствен­ ные и распределительные холодильники. В них не только хранится мясо, рыба, масло, сыр, молоко, яйца и другие продукты, но и изготавливаются овощные, рыбные, мяс­ ные замороженные полуфабрикаты.

Наша промышленность выпускает ежегодно около 6 млн. домашних холодильников. В настоящее время в стране эксплуатируется примерно 70 млн. бытовых холо­ дильников и морозильников — они есть почти в каждой семье. В наши дни холодильники используются даже... на Северном полюсе, точнее, на дрейфующих научных стан­ циях «Северный полюс». Летом полярники хранят в них мясо, которое от солнечных лучей быстро портится даже в ледяных ямах.

Применение умеренного холода многообразно. Пере­ числим еще некоторые важные области его использования.

Искусственный холод это: ...многочисленные бытовые

и промышленные кондиционеры. Охлаждение воздуха,

вчастности, необходимо в концертных залах, музеях, ти­ пографиях, на текстильных и кондитерских фабриках,

20