Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович

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.

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.