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

2.3. НОВЫЕ СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

В годы, последовавшие за работами Фарадея, поиски таких новых способов охлаждения приобрели особую интенсивность; в конце концов, к середине ХIХ в. они были не только найдены, но и в значительной степени изучены. Однако применены они были впервые в холодильных установках, предназначенных для получения искусственного льда (см. гл. 3).

Самое любопытное, что нужно отметить в связи с этими поисками, что люди, стремившиеся ожижить «постоянные газы», искали вначале новые пути совсем не там, где они могли быть в действительности. На самом деле такие способы охлаждения (и не один, а два) уже давно были в принципе известны, но никто в это время не догадался развить их и использовать для ожижения газов. Только начиная с 70-х годов ХIХ в, новые подходы и способы охлаждения стали более или менее сознательно применяться для ожижения газов.

Первый из этих способов охлаждения был известен очень давно. Многими наблюдениями было установлено, что при сжатии воздуха его температура повышается. При быстром сильном сжатии это нагревание настолько интенсивно, что даже может привести к воспламенению горючего материала Известно было даже "пневматическое огниво" – устройство, в котором кусок трута зажигают в узкой пробирке вдвиганием в нее поршня, сжимающего воздух.

Позднее было замечено и противоположное явление — охлаждение воздуха при быстром расширении. Впервые в научной литературе о6 этом явлении написал Э. Дарвин (1731-1802 гг.) – крупный исследователь-биолог, врач и поэт, дед Ч. Дарвина Он, подобно другим выдающимся деятелям тога времени, успешно работал во многих областях, в том числе и в области физики. В 1788 г. Э. Дарвин опубликовал работу "Эксперименты по охлаждению воздуха при его расширении", в которой не только констатировал это явление, но и произвел измерения, позволившие зафиксировать существенное понижение температуры. Швейцарский физик и философ М. Пикте, о котором уже упоминалось в связи с "лучами холода", показал (в 1799 г.), что охлаждение, достигаемое этим способом, может быть весьма велико: он наблюдал замерзание капель воды на наружной поверхности трубки, из которой вытекал сжатый воздух. Однако теоретического объяснения этого процесса еще не было.

Явление охлаждения газа при его расширении было понято правильно значительно позже, к началу 50-х годов ХIХ в., когда утвердился закон сохранения энергии: расширяясь, газ производит некоторую работу за счет уменьшения своей внутренней энергии; соответственно понижается и его температура. При сжатии, напротив, работа затрачивается на увеличение внутренней энергии; вместе с ней растет и температура. Это видно и из (2.2), поскольку в адиабатных условиях Q равно нулю, Если же некоторое количество теплоты будет при расширении поступать извне (как, например, от капель замерзающей воды, что было в опытах М. Пикте), то уменьшение внутренней энергии и соответственно понижение температуры будет не столь значительно.

Исследования, проведенные Гей-Люссаком, Пуассоном и другими, показали, что снижение температуры при адиабатном расширении довольно существенно. Так, для воздуха при начальной температуре +20°С (293K) значения падения температуры ΔТ составляют (при конечном давлении р2=0,1 МПа) в зависимости от начального давления р1 :

р1, МПа	0,5	1	3	6
ΔТ, K	105	142	188	212

Естественно, если начальная температура Т1 будет ниже, чем 293K, то и конечная Т2 тоже снизится.

Итак, первый из новых способов охлаждения – расширение газа с отдачей внешней работы, теоретически "был готов к употреблению". Но это, увы, составляло только первую половину дела: ведь идей и решений, необходимых для его инженерной реализации, еще не было. Дальше мы увидим, что "вторая половина дела" оказалась не менее, а скорее, даже более трудной, чем первая1. Создать первую эффективно действующую машину, в которой производилось бы такое расширение при низких температурах (детандер, от французского слова detendre – расширять), удалось лишь через несколько десятилетий.

Второй способ тоже основывался на расширении газа (или жидкости), но другим путем – без производства внешней работы. Такое расширение – дросселирование (от немецкого слова drosseln - душить, сдавливать) вопреки названию не содержит ничего страшного. Речь идет просто о продавливании текущего вещества через канал с большим гидравлическим сопротивлением – узкий проход в вентиле, пористое тело иду трубку с малым сечением – капилляр. Давление вещества при этом, естественно, снижается, но энергия, в отличие от первого способа, никуда не отводится и остается неизменной. Тем не менее дросселирование может использоваться как эффективное средство охлаждения.

Впервые такое охлаждение наблюдал Тилорье (об опытах которого упоминалось ранее), когда выпускал в атмосферу через вентиль жидкий диоксид углерода. Дросселируясь в этом вентиле с высокого давления до атмосферного, жидкость охлаждалась, переходя частично в твердое состояние. Однако из этого факта не было сделано какого-либо обобщающего вывода, хотя он почти сразу же был использован для получения "сухого льда".

Только в 1852 г. дросселирование было специально изучено Джоулем и Томсоном. Это было сделано с основательностью, присущей Джоулю (температура, например, измерялась с точностью до 0,003°С!).

Они провели две серии опытов; для нас представляет интерес вторая. Схема прибора для ее проведения показана на рис. 2.10. Он представлял собой трубку с дроссельной пористой пробкой из ваты, через которую прокачивался исследуемый газ. Рабочая часть трубки помещалась в изолированный термостат. Измерялись температуры и давления газа до пробки и после нее. Начальное давление было р1=0,45 МПа. Температура на входе Т1 изменялась от 4 до 100°С. Результаты опыта оказались парадоксальными: как воздух, так и отдельно кислород и азот, из которых он состоит, при дросселировании охлаждались. Соответствующие значения были хотя и не очень большими, но достаточно существенными (примерно 2,5°С/МПа).

Рис. 2.10. Схема установки, созданной Джоулем для исследования свойств газов: 1 - пористая дроссельная пробка; 2 - тепловая изоляция; 3 - датчики измерения температуры.

В дальнейшем зависимости ΔТ при дросселировании были уточнены; оказалось, что при низких температурах охлаждение возрастает. Однако при пропускании через дроссельную пробку водорода Джоуль и Томсон установили, что он не охлаждается, а напротив, заметно нагревается!

Следующая страница: Эффект Джоуля-Томсона