Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

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.

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.