Текст книги "Штурм абсолютного нуля"

Автор книги: Генрих Бурмин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

ШТУРМ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ

О сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг…

А. С. Пушкин

Ранняя весна 1987 года несомненно войдет в грядущую летопись мировой науки как одна из наиболее ярких дат.

Представление о накале событий тех дней дает репортаж, опубликованный в одной из нью – йоркских газет в марте месяце того года:

«…Физики трех континентов предприняли атаку на один из нью – йоркских отелей, чтобы стать участниками созванной на скорую руку конференции…

Двери конференц – зала открыли в среду ранним вечером перед ревущей, блистающей всеми красками толпой, внезапно потерявшей свое профессорское достоинство. В течение трех минут она заполнила все 1200 мест для сидения, после чего еще около 1000 физиков набились в проходы между рядами и заняли места у простенков зала. Сотни других сражались у дверей за право войти.

Заседание продолжалось до трех часов ночи. Доклады транслировались по телемониторам, расположенным по гостиничным коридорам, около которых сгруппировались не попавшие на заседание ученые… Даже после официального закрытия обсуждение продолжалось до шести часов утра…

Это феномен, ничего подобного в истории физики еще не было, – сказал Теодор Гебалл из Стенфордского университета…»

В те мартовские дни ученые осаждали и конфе – ренц – зал Института физических проблем имени С. И. Вавилова Академии наук СССР.

На научных форумах и в Москве и в Нью – Йорке обсуждалось одно и то же событие – открытие высокотемпературной сверхпроводимости.

Трудно назвать другое открытие в мировой науке со столь сложной, причудливой и вместе с тем увлекательной судьбой.

История первооткрытия сверхпроводимости тесно связана с развитием физики низких температур.

Известно, что на верхний предел температур природа никаких ограничений не наложила. На Земле, в зоне термоядерных реакций, достигнуты температуры в сотни миллионов градусов, а в недрах звезд температуры составляют миллиарды и триллионы градусов.

Однако нижний предел температур строго ограничен законами физики. Это абсолютный нуль по шкале Кельвина или минус 273 градуса по Цельсию. Перейти этот рубеж не дано ни на Земле, ни в космосе, но и приблизиться к нему было совсем не легко.

Чтобы проникнуть в манящую своей загадочностью и недоступностью область температур вблизи абсолютного нуля, открыть удивительное физическое явление – сверхпроводимость, ученым пришлось преодолеть многочисленные препятствия.

Рассказом об этом своеобразном штурме абсолютного нуля и начинается эта книга.

1. Почему «обидели» температуру? Ошибка Фаренгейта. Порядок и беспорядок. Когда путь вниз труднее подъема. Ледяной кипяток. Существуют ли на Земле «холодные жидкости»?

Длину мы измеряем в метрах, массу – в граммах, время в секундах, а температуру в градусах.

Расстояние между городами исчисляется в десятках и сотнях километров, высота здания в метрах, а межатомные расстояния в стомиллионных долях сантиметра. Но во всех случаях эти величины положительные.

Выпуск продукции промышленных предприятий планируется в тоннах, в повседневной жизни мы имеем дело с килограммами и граммами. А для того чтобы выразить в граммах массу мельчайшей материальной частицы электрона, мы после запятой, перед первой значащей цифрой, должны написать 26 нулей. И все же это величина положительная.

И если вы прочтете в задачнике, что «расстояние между пунктом А и пунктом Б равно минус 5 метров», то сразу догадаетесь, что знак «минус» здесь опечатка.

Такой же бессмысленностью в обыденной жизни представляются «отрицательный вес» и «отрицательное время». Но если вы скажете, к примеру, что температура воздуха равна минус 10 градусов, то этим вы никого не удивите.

В чем же здесь дело?

Если мы говорим, например, положительный человек, то это самый большой комплимент. Наоборот, отрицательные явления надо изживать.

Почему же так «обидели» температуру? Мы ей приписываем как положительные, так и отрицательные значения, в то время как другим физическим величинам только положительные.

Справедливо ли это?

Когда мы измеряем длину с помощью линейки или рулетки, взвешиваем предмет или запускаем стрелку секундомера, то при отсчете на шкале прибора или приспособления мы исходим из отметки «нуль», соответствующей наименьшему возможному значению величины. Поэтому во всех трех случаях значения измеряемых величин не могут быть меньше нуля.

Когда же впервые разрабатывались температурные шкалы, никто даже приблизительно не знал, какая может быть наименьшая температура, то есть с какой точки нужно начинать отсчет.

В 1714 году немецкий физик – самоучка Габриель Фаренгейт за «нуль», то есть за низшую точку температурной шкалы, принял температуру смеси снега и нашатыря. За вторую опорную точку Фаренгейт принял, как он утверждал, нормальную температуру человеческого тела. Интервал между этими двумя точками он разбил на 100 равных делений. Каждое такое деление получило название «градус Фаренгейта», обозначаемый так: °Р (по первой букве фамилии ученого Fahrenheit).

По шкале Фаренгейта точка таяния льда +32 ⁰F, а точка кипения воды —212°F. Эта шкала до сих пор употребляется в Англии и США.

В 1742 году шведский астроном и физик Андерс Цельсий предложил шкалу термометра, в которой интервал между точкой таяния льда и точкой кипения воды был разбит на 100 равных частей, каждая из которых получила название «градус Цельсия», обозначаемый так: °С (по первой букве фамилии ученого Celsius). Точка таяния льда была принята за 0 °C, а точка кипения воды за 100 °C.

Эта шкала находит широкое применение в СССР и многих других странах.

Как перейти от температуры в градусах по шкале Фаренгейта к температуре в градусах по шкале Цельсия?

Расстояние между точкой таяния льда и точкой кипения воды на шкале Фаренгейта составляет 212—32= 180 градусов, а на шкале Цельсия только 100 градусов. Следовательно, один градус Фаренгейта равнозначен 5/9 градусам Цельсия. Кроме того, точка таяния льда на шкале Фаренгейта сдви – нута вверх на 32 градуса по сравнению со шкалой Цельсия.

Отсюда легко можно вывести формулу перевода градусов Фаренгейта в градусы Цельсия: t°С = 5/9 (n°F – 32), где введены следующие обозначения: t°С – температура в градусах по шкале Цельсия; n°Р – температура в градусах по шкале Фаренгейта.

А теперь мы предлагаем читателю определить, какую ошибку допустил Фаренгейт при разработке своей шкалы. Напомним, что Фаренгейт принял за нормальную температуру человеческого тела 100°F.

Подставив эту величину в приведенную выше формулу, мы обнаружим, что она соответствует 37,8 °C.

Но ведь с такой температурой врач немедленно отправит вас в постель!

В действительности нормальная температура человеческого тела не 100°F, а примерно 98°F.

Наличие двух разных температурных шкал создает определенные неудобства, особенно в наш век, когда контакты между людьми разных стран и континентов становятся все более тесными.

Однажды в гостинице одного из городов Европы остановился американский промышленник. Назовем его мистер Смит.

По приезде мистер Смит (он был человек предусмотрительный) вынул из чемодана взятый из дому привычный для него термометр Фаренгейта.

Однако в спешке (прибыло еще много других гостей) горничная перепутала и установила термометр Фаренгейта за окном соседнего номера, где остановился турист из Парижа – месье Поль, а в номере американца остался числящийся по описи гостиницы термометр Цельсия.

Вот что из этого вышло.

Представьте себе утро погожего дня ранней весны. Хотя столбик термометра еще стоит на нуле по Цельсию, под солнечными лучами уже начинает подтаивать. На выходе из гостиницы остановились двое.

Один из них – обливающийся потом американец, облаченный в тяжелую шубу. Он закутал свое лицо так, что виднеется только кончик носа. Рядом подпрыгивает, стуча от холода зубами, француз. Он оделся так, будто в знойный день собрался на пляж.

Этому предшествовали следующие события.

Проснувшись, мистер Смит первым делом взглянул на термометр (он был уверен, что это термометр Фаренгейта, а на самом деле это был, как мы уже знаем, термометр Цельсия).

«Брр, какой ужасный мороз», – подумал американец: столбик термометра стоял на отметке 0° (используя приведенную выше формулу, легко подсчитать, что 0° по Фаренгейту соответствует минус 18° по Цельсию).

Естественно, мистер Смит экипировался соответствующим образом.

В то же самое время месье Поль, который не подозревал, что за окном его номера установлен термометр Фаренгейта, воскликнул:

– Какая тропическая жара, черт побери!

Термометр показывал плюс 32 градуса.

Разумеется, подобные казусы в обыденной жизни бывают не так уж часто. Однако отсутствие объективной температурной шкалы создавало немалые трудности при проведении исследований, связанных с измерением температуры.

Французский химик и физик Жозеф Гей – Люссак в 1802 году обнаружил интересную зависимость. Оказалось, что объем данной массы газа при постоянном давлении изменяется прямо пропорционально изменению температуры. При этом каждый раз при изменении температуры газа на 1 °C объем газа изменяется на одну и ту же величину независимо от природы газа, а именно на 1/273 его объема при 0 °C.

Так в физику вошел закон Гей – Люссака.

Этот закон позволил сделать интересные выводы.

Представьте себе следующий воображаемый опыт. Вы имеете некоторый объем газа, находящегося под постоянным давлением, и охлаждаете его начиная от 0 °C.

При охлаждении ка 1 °C объем газа уменьшается на 1/273 часть его первоначального объема. Вы охлаждаете газ еще на 1 °C, и уменьшение его объема составляет уже 2/273 части первоначального объема, и т. п. Наконец, при охлаждении на 273 °C… Но стоп! Мы слишком увлеклись. Ведь при охлаждении на 273 °C объем газа вообще должен был исчезнуть.

Значит, – 273 °C является наименьшей температурой, к которой можно подойти сколь угодно близко, но никогда нельзя достичь. Следовательно, естественно выбрать за исходную точку температуры, то есть за абсолютный нуль температуры, именно —273 °C.

Так возникла идея шкалы абсолютной температуры.

Но следует заметить, что при достаточно низкой температуре газ начинает сжижаться и закон Гей-Люссака не применим. В этом смысле наш воображаемый опыт не вполне корректен.

Более строгое доказательство того, что ни одно тело не может быть охлаждено ниже абсолютного нуля, основанное на втором законе термодинамики, принадлежит английскому физику Уильяму Томсону (лорду Кельвину), который в 1848 году ввел в науку понятие об абсолютной температуре и абсолютную шкалу температур.

Поэтому шкалу абсолютной температуры принято называть шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой, а температуру, определяемую по этой шкале, – термодинамической.

Последующие измерения позволили так лее уточнить значение абсолютного нуля температуры. Оно оказалось равным —273,15 °C.

В Международной системе единиц измерения физических величин, принятой международным форумом – XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, одной из шести основных единиц является единица термодинамической температуры – кельвин, обозначаемая буквой К (устаревшее название «градус Кельвина» или °К). Один кельвин равен одному градусу Цельсия.

Для того чтобы градусы Цельсия перевести в кельвины, достаточно к числу градусов Цельсия добавить 273,15. Следовательно, температура таяния льда составляет 273,15 К, а точка кипения воды 373,15 К.

Удобство термодинамической температурной шкалы заключается в первую очередь в отсутствии отрицательных температур. Эта шкала широко используется при научных исследованиях и в технике.

В повседневной жизни мы пока пользуемся шкалой Цельсия, так как к большим числам, в которых выражается температура в кельвинах, сразу привыкнуть трудно.

Вполне очевидно, недалеко время, когда шкала Кельвина станет единой, как это предусмотрено международными соглашениями.

Понятие абсолютной температуры было введено в науку в середине прошлого века. Однако прошло свыше ста лет, прежде чем шкала Кельвина получила официальное признание.

Почему так получилось?

В температурной шкале Цельсия нуль вполне ощутимая точка. Тело, охлажденное до такой температуры, вы можете потрогать рукой.

Абсолютный нуль температуры выведен на основании теоретических умозаключений, подобно тому как случается, что астроном «вычисляет» далекую планету еще до того, как ее удается обнаружить с помощью оптических приборов.

Чтобы приблизиться к абсолютному нулю, нужно было получить температуру гораздо ниже, чем в самой холодной точке нашей планеты.

Более двухсот семидесяти градусов отделяет область абсолютного нуля температуры от нуля градусов Цельсия.

Много это или мало?

Повышать температуру на сотни и даже тысячи градусов человек научился еще во времена глубокой древности, пожалуй начиная с того момента, когда он впервые добыл огонь.

Техникой получения низких температур человек овладел в результате долгого пути исторического развития. Спуститься «вниз» по температурной шкале оказалось значительно труднее, чем подняться «вверх».

…Если у вас в комнате все вещи находятся в определенном порядке, то легко можно найти нужный предмет.

Однако если вы, вернувшись из школы, бросите портфель куда попало, а переодевшись, не уложите аккуратно вашу одежду в шкафу, разбросаете в беспорядке по комнате, то вам придется затратить немало времени для поиска нужной вещи.

Устроить беспорядок проще всего. Гораздо труднее восстановить порядок.

Существует общий закон природы, согласно которому термодинамические процессы самопроизвольно идут в направлении от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному.

Можно привести немало примеров в подтверждение этого закона.

Если бросить в стакан с водой кусок сахара, то сахар через некоторое время растворится в воде, его молекулы распределятся по всему объему стакана равномерно. Вы можете ждать практически сколь угодно долго, но раствор сам по себе не разделится на сахар и воду.

При повышении температуры кристаллы превращаются в жидкость, а затем в газ.

В твердом теле каждый атом (или молекула) занимает определенное положение в пространстве. Он может совершать колебания около положения равновесия, но далеко уйти от отведенного ему места атом, как правило, не в состоянии. В этом смысле в твердом теле существует почти идеальный порядок.

В жидкости молекулы (или атомы) «упакованы» почти так же плотно, как в твердом теле. Однако в отличие от твердого тела они не находятся здесь «на привязи»: они сравнительно легко меняют свое положение. Следовательно, в жидкости гораздо меньше порядка, чем в твердом теле.

В газах расстояние между молекулами (атомами) в среднем во много раз больше размера самих молекул. Атомы и молекулы перемещаются в пространстве с огромными скоростями. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, словно бильярдные шары. Чем сильнее нагревается газ, тем беспорядочнее становится движение его молекул.

Итак, при нагревании вещества его атомы или молекулы переходят из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние, что не противоречит естественному ходу событий. Получить высокие температуры (до десятков и сотен тысяч градусов) сравнительно легко.

Наоборот, искусственно охлаждая вещество, мы стремимся перейти от беспорядка к порядку. А природных резервуаров глубокого холода на Земле нет.

Для получения холода люди еще во времена глубокой древности использовали испарение. Так, в Древнем Египте напитки хранились в пористых сосудах. Поры увеличивали поверхность испаряющейся жидкости, а плохая теплопроводность материала сосуда уменьшала подвод тепла извне. Все это способствовало охлаждению жидкости.

При нормальных условиях жидкость испаряется медленно. Так, если вы оставите в блюдечке немного воды, то пройдет несколько суток, прежде чем она полностью испарится.

Для того чтобы охладить вещество, необходимо ускорить процесс испарения. Природа сама подсказывает нам такую возможность.

Представьте себе, что в жаркий летний день вы выходите на берег из воды и вас обдувает порыв ветра. Вы сразу чувствуете холод. Объясняется это тем, что ветер сдувает пары жидкости, испаряющейся с вашего мокрого тела, а поэтому скорость испарения увеличивается.

Интенсивность испарения увеличивается и по мере повышения температуры жидкости. Наконец, при определенной температуре жидкость начинает кипеть.

…Если я вам предложу охладить температуру вашего тела, обдав его …кипятком, вы, наверное, с ужасом откажетесь от такого эксперимента. Между тем, оказывается, существует и холодный… кипяток.

Когда мы говорим, что вода кипит при температуре 100 °C, то подразумеваем, что этот процесс происходит при нормальном атмосферном давлении (760 миллиметров ртутного столба). С понижением атмосферного давления точка кипения воды смещается вниз по температурной шкале.

При подъеме в горы атмосферное давление снижается.

На Памире есть пик Ленина, расположенный на высоте 7134 метра над уровнем моря, где давление составляет примерно 300 миллиметров ртутного столба.

Здесь температура кипения воды приблизительно равна 75 °C. В таком кипятке сварить, например, мясо невозможно.

Впрочем, для того чтобы понизить температуру кипения воды, вовсе нет необходимости штурмовать заоблачные высоты. Достаточно поставить сосуд с водой под колпак воздушного насоса.

Откачивая пары, вы можете заставить кипеть воду при температуре значительно ниже 100 °C. Так, при давлении в 20 миллиметров ртутного столба вода закипает при комнатной температуре, а при снижении давления до 4,6 миллиметра ртутного столба можно получить «кипяток», имеющий температуру замерзания воды! Между температурой кипения воды и давлением паров жидкости не существует линейной зависимости. Так, для того чтобы понизить температуру кипения со 100 °C до 80 °C, нужно снизить давление примерно в два раза. А для дальнейшего понижения точки кипения еще на 20 °C давление нужно снизить уже почти в два с половиной раза по сравнению с предыдущим… Наконец, для понижения температуры кипения до 0 °C давление нужно уменьшить почти в четыре раза по сравнению с его величиной при 20 °C.

Между тем по мере уменьшения давления откачивать пары становится все труднее. Охлаждаясь, жидкость в конце концов затвердевает.

Разумеется, вода, замерзающая около 0 °C, непригодна для получения более низких температур.

Ледяной кипяток. Откачивая пары из‑под колпака, вы можете получить кипяток, имеющий температуру замерзания воды.

Мало пригодны для этой цели и другие вещества, существующие в жидком виде при комнатной температуре.

Для получения низких температур нужны более «холодные жидкости».

Еще два столетия назад известный французский ученый Антуан Лавуазье писал:

«…Если бы мы смогли поместить Землю в некую весьма холодную область, например в атмосферу Юпитера или Сатурна, то все наши реки превратились бы в горы. Воздух (или, по крайней мере, некоторые его компоненты) перестал бы быть невидимым и превратился бы в жидкость. Превращение такого рода открыло бы возможность получения новых жидкостей, о которых мы до сих пор не имели никакого понятия».

Наиболее низкая температура воздуха, зарегистрированная в самых холодных областях земного шара, составляет —90 °C. Однако и при такой температуре не наблюдается сжижение воздуха или его компонентов.

Как практически осуществить сжижение атмосферных газов? Не посылать же на самом деле с этой целью экспедицию на Юпитер, Сатурн или в другой пункт Галактики!

Чтобы проникнуть в неведомую ранее область низких температур, надо было прежде всего решить проблему сжижения атмосферных газов в земных условиях.

2. Читатель узнает, что и пенсы могут служить науке. Что скрывалось за «грязью» в сосуде. Две тысячи метров под водой. Последствие одной аварии. Привидение, которое не возвращается.

Одним из первых вступил на долгий и тернистый путь, ведущий к абсолютному нулю температуры, Майкл Фарадей.

Это имя известно школьникам из учебника физики.

Фарадей – автор выдающихся открытий в области электричества и магнетизма – является одним из основоположников современной электротехники.

…Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье кузнеца одного из лондонских предместий. Его отец, несмотря на большое трудолюбие и отменное мастерство, зарабатывал мало, и семья жила в нужде.

Поэтому Майкл не имел возможности окончить даже начальную школу. В возрасте тринадцати лет он поступил учеником переплетчика в большую книжную лавку. В те времена срок ученичества, даже для овладения такой несложной профессией, как переплетчик, был установлен в… семь лет.

Ученик должен был подметать помещение, мыть полы, разносить заказы, нянчить хозяйских детей.

Приученный с ранних лет в семье к трудолюбию, Майкл усердно выполнял свои многочисленные обязанности. А свободное время он посвящал чтению.

Сначала Фарадей читает все, что попадается под руку. Затем у него появляется интерес к естественным наукам. Он изучает статьи по электричеству в Британской энциклопедии и популярную книгу «Успехи химии».

Пробует и сам проводить описанные в литературе опыты, проявляя при этом незаурядную находчивость.

Стеклянная бутылка служит ему для изготовления электростатической машины, а гальваническую батарею он собирает из цинковых кружков и медных пенсов.

Книжную лавку часто посещали ученые. Один из них, некто Дэне, обратил внимание на любознательного юношу и принес Фарадею билеты на публичные лекции известного химика Гемфри Дэви, которые тот читал в Королевском институте – научном центре английской столицы.

По совету того же Дэнса Фарадей тщательно обработал свои конспекты лекций, переплел их и послал Дэви вместе с письмом, содержащим просьбу о приеме на работу в качестве помощника.

Неизвестно, что больше произвело впечатление на Дэви – сам конспект его лекций или сделанный с высоким профессиональным мастерством переплет. Говорят, он обратился за советом к своему приятелю: как быть? И тот будто бы сказал:

«Предложите парню мыть посуду. Если он на что‑нибудь годен, то сейчас же примется за дело. Если откажется, значит, никуда не годится».

Сейчас трудно установить, все ли так обстояло в действительности. Но в 1813 году Фарадей получил место ассистента Дэви в химической лаборатории Королевского института.

Фарадей должен был содержать в чистоте лабораторное оборудование, подготавливать аппаратуру и помогать Дэви в проведении экспериментов и демонстрации опытов на лекциях. Но он внимательно присматривался к работам своего наставника и других сотрудников института, стараясь перенять их опыт.

В это время Дэви пригласили посетить ряд научных центров европейского континента. Он берет в поездку своего ассистента. Фарадей получил возможность ознакомиться с работами видных иностранных ученых.

По возвращении из‑за границы Фарадей приступает к самостоятельным исследованиям.

Он проводит ряд оригинальных химических опытов, а в 1821 году делает важное открытие в области электричества – создает лабораторную модель электрического двигателя.

Однажды, это было в 1823 году, Фарадей, изучая химическое разложение одного из соединений хлора – гидрата хлора, нагревал последний в герметически запаянной стеклянной трубке.

Он наблюдал, как по мере нагревания одного конца изогнутой трубки на другом ее, холодном, конце собирались капли маслянистой жидкости.

Схема опыта Фарадея: 1 – жидкость; 2 – «холодный» конец трубки; 3– соединение хлора. Экспериментатор наблюдал, как в холодном конце трубки скапливалась жидкость.

В этот момент в лабораторию зашел сотрудник института доктор Пэрис. Он также заметил «масло» в пробирке и решил, что Фарадей проводит эксперимент в грязной посуде.

Однако Фарадей никак не реагировал на упрек доктора, и тот, пожав плечами, удалился.

А на следующий день Пэрис получил записку какого содержания: «Милостивый государь! Масло, замеченное Вами вчера, было ничем иным, как жидким хлором. Преданный Вам М. Фарадей».

Что же произошло в лаборатории после ухода Пэриса?

Желая исследовать маслянистое вещество, Фарадей отрезал часть пробирки, в которой оно находилось. Мгновенно раздался взрыв, и жидкость исчезла. Загадочное вещество представляло собой жидкий хлор.

Действительно, по мере нагревания гидрата хлора в герметически запаянной пробирке из него выделялся газообразный хлор. Не имея выхода наружу, газ все более и более сжимался. А о том, что при достаточном сжатии газы могут перейти в жидкое состояние, было известно уже во времена Фарадея.

Так исследователь получил первую холодную жидкость – жидкий хлор, имеющий температуру кипения при нормальном давлении – 34,1 °C.

Но почему жидкость образовывалась именно в холодном конце трубки? И у Фарадея мелькает мысль о том, что в процессе сжижения газа, кроме давления, определенную роль играет и температура.

В дальнейшем Фарадей видоизменил опыт, погрузив «холодный» конец трубки в охлаждающую смесь.

Эта уловка увенчалась успехом.

Кроме хлора, так им были сжижены аммиак, закись азота, углекислый газ, двуокись серы.

Уже первая серия работ Фарадея в области химии и электричества получила высокую оценку современников. Его избирают членом Лондонского королевского общества.

Так сын деревенского кузнеца стал академиком.

Дальнейшая научная деятельность Фарадея была почти полностью посвящена электричеству. Проложив как бы мост между электричеством и магнетизмом, он открывает в 1831 году явление электромагнитной индукции, а еще через два года формулирует свои знаменитые законы электролиза. Затем следует разработка учения об электрическом и магнитных полях, открытие явлений парамагнетизма и диамагнетизма.

В 1845 году Фарадей провел опыты по сжижению газов с помощью двух насосов. Первый насос сжимал газ до давления в 10 атмосфер [1]1
  1 атмосфера = 101,3 килопаскалей.


[Закрыть]. Затем газ поступал во второй насос, где сжимался до давления в 50 атмосфер. Стеклянная трубка, в которой накапливался сжатый газ, проходила под колокол воздушного насоса, а ее запаянный конец погружался в охлаждающую смесь эфира с твердой углекислотой.

Но новых успехов в сжижении газов Фарадей добиться не смог.

Одновременно с Фарадеем над проблемой сжижения атмосферных газов работали ученые разных стран.

В то время считали, что газ можно сжижать либо путем глубокого охлаждения, либо сжимая достаточно высоким давлением. Получить низкие температуры было трудно. Поэтому второй путь казался предпочтительным.

Однако не помогало самое высокое давление, которое можно было получить в лабораторных условиях. И тогда исследователи старались реализовать еще большие давления. Так, например, один из них сжимал кислород и азот почти до двухсот атмосфер, поместив эти газы в специальные цилиндры и погрузив их на глубину около двух километров в океане.

Но ни кислород, ни азот, ни водород не проявляли никаких признаков сжижения, какому бы сжатию их ни подвергали.

Многие ученые стали привыкать к мысли, что это так называемые «постоянные газы», то есть газы, не превращающиеся в жидкость ни при каких условиях.

Фарадей не разделял подобных взглядов.

В своих записках он отмечал, что достигнутое охлаждение, очевидно, недостаточно для сжижения таких газов, как кислород, азот или водород, даже при сколь угодно большом давлении. Ученый выражал уверенность в том, что при более глубоком охлаждении задача сжижения атмосферных газов под давлением будет решена.

Но подорванное тяжелым детством здоровье Фарадея все ухудшалось. Начиная с 50–х годов он вынужден постепенно сокращать объем своих исследований, а затем и вовсе их прекратить.

25 августа 1867 года Фарадей скончался. А десять лет спустя французский инженер Кальете впервые осуществил сжижение кислорода.

Луи Поль Кальете родился в 1832 году в небольшом французском городке Шатильон на Сене в семье промышленника. Вскоре по окончании Горного института он руководит чугуноплавильными заводами своего отца.

Стремясь усовершенствовать производство, молодой инженер изучает металлургические процессы.

Судя по всему, на этом поприще он добился немалых успехов. В 1877 году его избирают членом – корреспон– дентом Парижской академии наук – честь, которой удостаивался далеко не каждый провинциальный инженер.

Кальете прославил свое имя не работами в области высоких температур, при которых протекают металлургические процессы. Он вошел в историю физики как один из первопроходцев к абсолютному нулю температуры.

Кальете, подобно многим своим предшественникам, начал эксперименты с попыток сжижения газа под высоким давлением. Первым газом для его опытов послужил ацетилен. Предварительный расчет показал, что для сжижения этого газа при комнатной температуре требуется давление около 60 атмосфер.

Однако перед достижением заданного давления аппаратура неожиданно дала течь, и сжимаемый газ начал просачиваться наружу.

Кальете, внимательно следивший за толстостенным стеклянным сосудом с ацетиленом, успел заметить, что немедленно после возникновения течи в сосуде образовалось легкое облачко, которое быстро исчезало.

Сначала Кальете решил, что обнаруженное им явление обусловлено наличием примесей в ацетилене, предположив, что видел капельки воды. Он повторил опыты, использовав химически чистый ацетилен, и снова появилось облачко.

Теперь сомнений не оставалось. Исследователь наблюдал именно конденсацию ацетилена.

Не теряя времени, Кальете приступает к экспериментам по сжижению атмосферных газов. Он выбирает кислород, так как этот газ было нетрудно получить в чистом виде. Он сжимает кислород до давления примерно 300 атмосфер и затем подвергает толстостенный стеклянный сосуд с кислородом охлаждению до – 29 °C, окружив его испаряющейся двуокисью серы.

Когда Кальете приоткрыл клапан и выпустил из сосуда часть газа, давление его внезапно упало. Расширяясь, газ совершил работу. При этом тепло к газу не подводилось, и по закону сохранения энергии он охладился. Экспериментатор вновь заметил облачко конденсирующихся капель.

Так впервые удалось сжижить кислород.

Эксперименты Кальете подтвердили вывод Фарадея о том, что для сжижения газов существенное значение имеет не только давление, но и температура.

Действительно, детальное исследование роли давления и температуры в процессе сжижения газов, проведенное в 1870 году великим русским химиком Д. И. Менделеевым, показало, что для каждого газа существует предельная температура, выше которой газ не может быть сжижен ни при каком сколь угодно большом давлении. Менделеев назвал эту температуру «абсолютной температурой кипения».

Независимо от Менделеева подобное исследование провел английский физик Томас Эндрюс, который ввел в науку термин «критическая температура».