Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Глава вторая. НАЧАЛО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР (первая половина ХIХв.)

Если я занимаюсь каким-либо предметом,
я сначала произвожу опыты, а потом делаю выводы
и строю доказательства.
Леонардо да Винчи

2.1. ОЖИЖЕНИЕ "ПОСТОЯННЫХ" ГАЗОВ

В конце XVIII в. исследователи имели в своем распоряжении два способа получения низких температур: смешение (охлаждающие смеси) и испарение жидкости. Усовершенствование и того и другого способов для получения возможно низких температур рассматривалось не столько как самостоятельная цель, сколько как средство для ожижения газов и замораживания жидкостей. Со времен Амонтона и Блэка мысль о возможности ожижения и даже замораживания всех газов завладела умами многих исследователей. Однако на практике физикам до этого времени удалось перевести в твердое состояние из жидкостей талька ртуть, а из газов в жидкое – лишь аммиак NH3 и сернистый ангидрид SО2. Первое сделал совершенно случайно голландский физик М. Ван-Марум (1750-1837 гг.), исследуя сжимаемость аммиака путем сжатия его ртутью в стеклянной трубке. Он заметил (1787 г.), что при давлении около 0,6 МПа аммиак превращается в жидкость уже при комнатной температуре. Г. Монж и Л. Клуэ ожижили в 1780 г. (уже специально) SО2 другим путем: они не повышали давление, но зато понижали температуру, применяя классическую охлаждающую смесь – лед с поваренной солью.

Стало очевидным, что для дальнейшей успешной работы по переводу газов в жидкое состояние нужна была, с одной стороны, совершенствовать способы повышения давлений и, с другой, найти пути интенсивного охлаждения с помощью испарения или охлаждающих смесей.

Первая задача была чисто конструктивной и решалась к тому времени относительно просто. Были известны два способа ее решения:
- с помощью нагревания газа или жидкости в замкнутом пространстве и использования полученного повышения давления для сжатия исследуемого газа;
- в результате применения для повышения давления механического устройства типа поршневого насоса.
Проще всего было использовать жидкостный насос, накачивая жидкость (например, ртуть) в сосуд, занятый исследуемым газом. Вдавливаясь в него, жидкость занимала определенный объем, вытесняя газ и повышая его давление.

Использовались и некоторые более хитрые способы повышения давления – например, проведение в замкнутом пространстве химической реакции с выделением нужного газа. Додумались даже погружать в море пузырь с газом, чтобы его сжимало давление воды на глубине.

Во всех случаях (кроме последнего) трудность состояла в выборе материалов для сосуда, в котором производился эксперимент. 'Сосуд должен был быть достаточно прочным, чтобы выдержать высокое давление; кроме этого, желательно, чтобы он был прозрачным и позволял наблюдать процесс ожижения. Лучше всего подходила стекло, но оно часто лопалось (М. Фарадей несколько раз пострадал при взрывах стеклянных приборов). Чугунные сосуды тоже разрывались. В конце концов опыты такого рода при высоких давлениях стали проводить в стальных или медных сосудах.

Вторая задача – совершенствование способов охлаждения – относилась больше к области физики и требовала теоретического осмысления. После работ Д. Папина, установившего зависимость температуры кипения воды от давления, и Д. Блэка, открывшего "скрытую теплоту” плавления и кипения, пути такого осмысления открылись.

Древнее испарительное охлаждение получило теперь однозначное объяснение. Стало очевидным, что на процесс перехода жидкости в пар нужно затратить определенное количество тепла, которое пар уносит с собой, хотя его температура и остается той же, что и жидкости. Если испарение производить без внешнего нагрева (например, огнем или солнечным теплом), а пар отводить (вспомним египетских рабов с веерами-опахалами), то необходимое количество тепла можно взять только у самой жидкости. Естественно, что ее температура при этом понижается. В соответствии с открытием Папина должно понижаться и давление пара (чем выше давление, тем температура кипения выше; чем ниже давление – ниже температура кипения). Однако испарение воды или другой жидкости (например, эфира) происходит в воздухе, который в процессе не участвует, а напротив, давит на воду, мешая, по-видимому, ей испаряться. Что, если поместить сосуд с испаряющейся жидкостью под колпак воздушного насоса и откачивать из-под него и воздух, и образующийся пар исследуемой жидкости? Воздушный вакуумный насос, изобретенный знаменитым физиком и бургомистром Магдебурга Отто фон Герике и усовершенствованный Р. Бойлем, был уже в это время в распоряжении исследователей.

И действительно, опыты показали, что температура кипения жидкостей под вакуумом быстро понижается, а вода даже может быть заморожена. Таким образом, исследователи, расширив область возможностей испарительного охлаждения, получили мощное экспериментальное средство для дальнейших работ по ожижению газов воздействием низких температур.

В это же время продвинулось вперед как исследование, так и совершенствование второго метода охлаждения – посредством смешения (растворения). Существенную роль сыграло здесь наблюдение Р. Бойля, сделанное при изучении охлаждающих смесей. Он заметил, что не всякие соли годятся для приготовления охлаждающих смесей на основе водяного льда. Соли, препятствующие быстрому таянию льда, не давали эффективного охлаждения. Наоборот, те соли, которые способствовали его таянию и растворялись в получающейся воде, давали эффективное охлаждение. Эти результаты содержались среди прочих важных сведений в его докладе Лондонскому Королевскому обществу в 1682 г.: "Новые опыты и наблюдения над холодом или экспериментальная история холода”. Что по существу, означало выражение "способствовала таянию”? Очевидно, что лед таял тем быстрее, чем лучше данная соль или другое вещество растворялись в воде. Переход соли в раствор понижал температуру его затвердевания; поэтому раствор оставался жидким и при понижении температуры. Соль могла растворяться и дальше по мере таяния льда. При этом тепло забиралось на "скрытую" теплоту плавления льда и поглощалось водой. Низкая температура поддерживалась до тех пор, пока не таял весь лед. Р. Бойль использовал большое число охлаждающих смесей льда с различными солями и кислотами и установил их свойства.

Наконец М. Фарадей придумал соединить охлаждение растворением с действием вакуума. Эта позволило еще больше понизить температуру при ожижении газов. Прежде чем перейти к описанию этих исследований, нужно, по-видимому, сделать одно предварительное замечание. Не следует думать, что опыты по ожижению газов были приостановлены до тех пор, пока полностью прояснятся все практические и теоретические вопросы, связанные с этим процессом, "Штурм крепости" упорно продолжался, а теоретическое и техническое "оружие и боеприпасы" вырабатывались и подвозились в ходе сражения. Ждать, пока "у последнего солдата будет пришита последняя пуговица", было нельзя. История науки показывает, что ее движение осуществлялось именно таким путем наиболее быстро.

Следующая страница: Эксперименты М.Фарадея