Текст книги "Вблизи абсолютного нуля"
Автор книги: Борис Смагин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 8 страниц)
Хлопотливая «жизнь» молекул газа
Про абсолютный нуль ученые узнали, когда стали изучать поведение газов. С другой стороны, газы, так сказать, объект всей техники сверхнизких температур. И все время, пока мы будем заниматься сверххолодом, нам придется общаться с газами. Правда, многие из них быстро меняют свой облик, становятся жидкостями. И наше продвижение к абсолютному нулю мы и будем отмечать тем, что газов останется все меньше и меньше.
Вот, например, воздух. В нем есть углекислый газ, азот, кислород, пять инертных газов. Но стоит его охладить – и углекислый газ выпал твердым осадком. Потом ушел кислород, за ним азот, другие газы.
Только морозоустойчивый гелий – один из инертных газов воздуха – держится до последнего.
Лишь в самых близких покоях Владыки Сверххолода сдался и он. Ни одного газа в мире больше нет! Ледяное безмолвие!
Давайте познакомимся с газами поближе. Пока что пусть они живут в наших обычных земных условиях. И ведут себя, как полагается газам, совсем не подозревая, какая участь им в дальнейшем уготована.
У молекул есть свой свод законов. Мы с ним ознакомились. Но когда они составляют газ, появляются новые законы, действующие лишь для газа. Поскольку нас интересуют газы и мы собираемся с ними долго общаться, выясним, какие это законы. Это тем более интересно, что с помощью одного из них мы в точности определим значение абсолютного нуля – таинственное, на первый взгляд, ничего не выражающее число «минус двести семьдесят три».
Молекулы газа свободны, как ветер. Это мы уже знаем. Их ничто не удерживает вместе. Они мчатся с громадными скоростями, сталкиваясь друг с другом, натыкаясь на стенки сосуда, в котором находится газ. Если сосуд раскрыть, то газ мгновенно покинет его, молекулы разлетятся во все стороны, осваивая новое помещение.
Газ состоит из молекул. И хотя каждая молекула живет своей собственной отдельной жизнью, хотя все они «думают», что никакого отношения друг к другу не имеют, это неверно. Свойства газа как раз и зависят от того, как ведут себя все его молекулы, вместе взятые.
Если у нас в руках твердое тело, то мы сначала смотрим, какое оно на вид, интересуемся формой тела. Затем судим о его весе – тяжелое оно или легкое. И, конечно, говорим о температуре.
Затем можно определить твердость тела – упругое оно или нет, как проводит тепло и многое другое.
Что касается газа, то говорят только о трех его характеристиках. Во-первых, у газа имеется определенная температура. Это мера тепловой энергии газа, мера энергии движения его молекул. Не надо, конечно, думать, что все молекулы двигаются точно с одними и теми же скоростями. Нет, у одних молекул скорость поменьше. Другие – порезвее, быстрее двигаются. Температуру определяет средняя скорость. Допустим, измерили мы скорости всех молекул. А потом сложили эти части и разделили на число молекул.
Это и будет средняя скорость.
Кроме того, газ находится в каком-то сосуде, значит, обладает определенным объемом.
И, наконец, третья величина. Молекулы газа бомбардируют стенки сосуда, во время своих полетов ударяются в стенки. Чем больше таких ударов, чем больше скорость молекул, тем труднее приходится стенкам. Газ сильнее давит на них.
Все эти удары, вместе взятые, создают давление газа.
Итак, температура газа, объем и давление. Вот величины, с которыми связана жизнь газа. Их называют параметрами. Только они не существуют каждая сама по себе.
Возьмем, например, кусок мела. Он может быть большим и маленьким, теплым и холодным.
Но объем куска мела никакого отношения не имеет к его температуре. Вообще говоря, при нагревании твердые тела расширяются, но очень немного. Зато в газах объем, давление и температура связаны между собой. Это легко установить.
Подобные опыты ученые проделали давно.
Еще в средние века, когда физика только становилась наукой, люди, которых интересовали загадки природы, собирались. вместе, рассказывали о своих наблюдениях, спорили, объясняя то или иное интересное явление.
Так рождалась наука – в беседах, спорах, так люди открывали законы природы, подтверждая их опытами, создавая первые формулы.
В Англии в XVII веке образовался большой кружок таких исследователей. Сначала он носил название «Незримая коллегия», и ученые собирались почти подпольно.
Они боялись, что королевские власти и вездесущая церковь сочтут их занятия греховными.
Ученые недолго собирались втайне. Скоро английский король признал общество ученых, взял его под свое покровительство и повелел называть Лондонским королевским обществом. Так и теперь называется Английская академия наук, которая выросла из небольшого кружка ученых.
Среди ученых, которые сразу же стали работать в этой академии, был и гениальный Исаак Ньютон, основавший современную физику, и Роберт Гук, который изучал упругость тел, колебания маятника, свойства звука.
Было много других. В том числе очень богатый человек – Роберт Бойль.
Роберт Бойль (1627–1691).
Роберта Бойля интересовало в науке лишь одно: он увлекался исследованием газов.
Еще задолго до Бойля итальянские ученые выяснили много любопытного, узнали о некоторых свойствах газов. Торричелли доказал, что воздух давит на нас сверху с большой силой. Ученые уже знали, что воздух можно сжимать, что, нагреваясь, он расширяется. Но по-настоящему газами занялся Бойль. Он наблюдал много интересных явлений. Некоторые из них Бойль даже не старался объяснить. А это очень жалко. Например, в одном из своих опытов английский ученый по сути дела доказал, что воздух состоит из отдельных частичек – молекул. Но объяснили это лишь много лет спустя.
Бойль проделал несколько опытов, благодаря которым остался навсегда в памяти потомков. Он открыл закон, носящий теперь имя закона Бойля – Мариотта. Бойль запаял небольшую изогнутую трубочку. В запаянном ее колене оказался воздух. Потом ученый стал поджимать этот воздух, добавляя в открытое колено ртуть. Воздух сжимался. И Бойль выяснил, что, чем меньший объем занимает попавший в ловушку воздух, тем большее количество ртути он уравновешивает.
Ртуть давит на воздух. И воздух также давит на ртуть. Оба давления одинаковы, раз столбик ртути покоится на месте.
Получается, что давление газа и его объем взаимосвязаны. Если не менять температуру, держать ее постоянной, то зависимость получается очень простая. Объем газа и его давление при постоянной температуре обратно пропорциональны друг другу.
Так формулируется закон Бойля – Мариотта.
Но при чем тут какой-то Мариотт? Ведь его сделал Бойль.
Сделать-то он сделал, но окончательного конкретного вывода не дал.
Он больше любил проводить интересные наблюдения, ставить диковинные опыты, а потом рассказывать о них на заседаниях Королевского общества.
А создавать теории, делать выводы, предположения – скучно!
В это же время появилась еще одна академия – французская. Одним из ее организаторов был замечательный ученый, исключительно пунктуальный и последовательный человек – Эрнст Мариотт. Бойль открыл свой закон в 1662 году. Доложил об опытах и забросил их. А Мариотт независимо от него пришел к тому же самому. Зато именно он дал новому закону четкую формулировку, которой мы пользуемся и сейчас.
Произошло это в 1676 году. Но в то время наука развивалась не спеша. Сейчас мы считаем, что закон открыт одновременно и независимо друг от друга английским и французским учеными.
Через сто лет после этих событий во Франции родился еще один ученый, который продолжил работы Бойля и Мариотта по изучению газов.
Это был Жозеф Гей-Люссак. Именно ему мы обязаны рождением замечательного закона, с помощью которого сейчас без малейшего усилия докажем, что существует таинственная температура – абсолютный нуль.
Гей-Люссак также изучил поведение газов при нагревании. Для этого он создал специальную установку. Она очень напоминала аппаратуру Бойля. И вообще надо сказать, что английский физик был прекрасным экспериментатором, великолепно умел проводить различные опыты. (Эксперимент – это и есть опыт. Экспериментатор – ученый, работающий практически. Есть ведь еще и теоретики. На их письменных столах не видно ничего, кроме бумаги и ручки. Однако они умеют так глубоко заглянуть в глубь вещества, что открывают в нем многие неожиданные свойства, объясняют сложнейшие результаты, полученные экспериментаторами. А такие замечательные ученые и теоретики, как Ньютон, Ломоносов, Галилей, были и экспериментаторами.)
Но вернемся к экспериментам Гей-Люссака. Мы уже знаем, что он заинтересовался, как ведут себя газы при нагревании. Сначала Гей-Люссак, нагревая газ, давал ему возможность расширяться. Для опыта брал ту же порцию воздуха, которой пользовался Бойль. Помните трубку и пленника – воздух в запаянном ее колене? Воздух подогревается, и капелька ртути, которая закрывает ему путь к свободе, постепенно поднимается. Объем воздуха явно растет. В другом опыте Гей-Люссак решил оставить постоянный объем. Подогревая воздух, он все время добавлял ртуть во второе колено трубочки. Тогда объем воздуха действительно не менялся. Зато повышалось давление. Ведь теперь упругий воздух выдерживает давление все большего и большего количества ртути. Возрастает и давление газа. Ртуть стоит на месте. Значит, давление с той и другой стороны на нее одинаково.
Гей-Люссак произвел подсчеты. И получилось, что и объем и давление газа при нагревании увеличиваются приблизительно на одну и ту же величину. Каждый лишний градус температуры изменяет объем или давление на 1/273 часть того, что было у газа при нуле.
Увеличивают температуру, увеличивается давление. Уменьшают – давление уменьшается. Так Гей-Люссак подтвердил закон, открытый за несколько лет до этого французским ученым Шарлем. Но вот объемные соотношения он открыл сам. И доказал, что эти законы относятся ко всем газам без исключения. Водород, азот, кислород, смесь газов, называемая воздухом, – все равно.
Нагрели на один градус – получайте 1/273 объема или давления!
После того как Гей-Люссак численно сформулировал свой закон, настала очередь абсолютного нуля.
Вы уже, конечно, заметили появление этого таинственного числа 273. Если газ охлаждать, то с каждым градусом давление его уменьшится на 1/273 часть. Оно будет все меньше и меньше, пока…
Но по порядку!
На «сцене» появляется абсолютный нуль
Рассмотрим внимательно, как изменяется давление газа. На каждый градус понижения температуры приходится 1/273 часть давления. На десять градусов мороза отодвинулись мы от нуля Цельсия – на 10/273 упало давление. Ну что ж, пойдем дальше. На бумаге ведь понижать температуру легко. При – 200 °C от первоначального давления останется только 73/273. Это совсем немного.
А что будет при температуре минус 273 °C? Арифметика показывает – давление обратится в нуль. Давление газа полностью пропадет.
Но что это означает? Давление газа – удары его молекул о стенки сосуда. Выходит, при абсолютном нуле температуры молекулы должны замереть на месте. Покоящаяся молекула?
Этого не может быть! Движение – неотъемлемое свойство молекул, свойство материи.
Не могут молекулы остановиться. Выходит, невозможно достичь и такой температуры?
Да, именно так! Минус 273 градуса Цельсия или, точнее, минус 273,16 – предел понижения температур, абсолютный нуль. Более низких температур просто не существует.
Вот и добрались мы до абсолютного нуля.
Эту величину ученые получили не сразу. Не сразу вслед за открытием газовых законов взялись они за арифметические подсчеты, которые мы сделали с такой легкостью. Интереснее другое. Задолго до работ французского ученого Михайло Васильевич Ломоносов утверждал, что температурная шкала должна быть ограничена снизу, что понижать температуру безгранично нельзя. Утверждал он это, исходя из того, что существуют молекулы, что они движутся и иными быть не могут.
Ломоносов, по сути дела, предсказал появление большой области физики – кинетической теории материи. У него не было опытных данных – многие эксперименты появились сто лет спустя.
Но гениальный ученый смотрел вперед, далеко обгоняя свое время.
Ведь в конце концов действительно дело не в арифметике. Раз скорость движения молекул падает при охлаждении – должен быть предел, так как остановиться, замереть молекулы не могут.
Кажется, простой вывод. Как будто все ясно и так. А между тем надо было быть гениальным Ломоносовым, чтобы утверждать это в конце XVIII века, когда наука только еще становилась на ноги, когда мрак средневековья сменился узенькой полоской неяркого света. И главное – то, что Ломоносов дал представление об абсолютном нуле не из арифметических подсчетов, а используя глубокие представления о строении мира.
Гений выше других на много голов и видит он далеко вперед!
Однако предвидения Ломоносова стали законами физики лишь сто лет спустя.
Сразу же после Гей-Люссака за газы взялся английский ученый Уильям Томсон. Он, можно сказать, окончательно разделался с абсолютным нулем.
Томсон известен больше под другой фамилией, так как за научные заслуги ему был пожалован титул лорда Кельвина. Английский ученый, в частности, предложил новую шкалу для измерения температур. Она так и называется теперь: абсолютная шкала температур, или шкала Кельвина. Обозначаются градусы Кельвина буквой «К». Например, 20° К – двадцать градусов по шкале Кельвина. Удобна эта шкала, между прочим, тем, что у нее нет отрицательных и положительных температур. Все температуры – положительные, так как отсчитываются они от абсолютного нуля. Абсолютный нуль – нуль термометра Кельвина. Что касается значения одного градуса шкалы Кельвина, то оно совпадает с привычной нам шкалой Цельсия. Там тоже две опорные точки: замерзание воды и кипение ее. Расстояние между ними Кельвин разбил на 100 частей. И отложил 273 такие части вниз от бывшего нуля Цельсия – точки замерзания воды. Тут он и поставил значок «0». Конечно, сделал он это мысленно, на бумаге. В действительности в стране сверххолода обычным термометром ничего не сделаешь. И ртуть и спирт замерзнут. Измерение сверхнизких температур – дело очень хитрое и тонкое.
Сейчас во всех странах мира принята система единиц «СИ». Тут и знакомый нам метр, и секунды, и ампер, и ом.
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.
