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

1.2. Первые шаги искусственного охлаждения

Доставка снега и льда на далекие расстояния была слишком дорогим удовольствием, доступным лишь очень узкому кругу высшей аристократии. Более важной, особенно в жарких странах, была нужда просто в охлажденной воде, которую можно было бы получать на месте и без больших затрат. Для этого не годился пассивный способ охлаждения внешним, более холодным телом; такого тела просто не было. Нужно было придумать другой, активный способ охлаждения – без применения снега или льда. И такой способ был придуман.

Идея его состояла в том, чтобы заставить саму воду себя охлаждать! И это сделали древние египтяне еще за 2500 лет до н.э. На сохранившихся с того времени фресках изображены рабы, которые большими веерами обмахивали сосуды с питьевой водой (рис. 1.1). Очевидно, что таким способом, используя для этого обычные кувшины, нельзя получить воду, более холодную, чем окружающий теплый воздух. Однако гениальная, в полном смысле этого слова, мысль состояла в том, чтобы сделать сосуды пористыми. Часть воды, просачиваясь через поры, испарялась на поверхности кувшинов, охлаждая ее; обдувание сухим воздухом интенсифицировало этот процесс. В результате оставшаяся в сосудах вода охлаждалась на 10-15°С ниже начальной температуры. Идея этого способа родилась, по-видимому, из повседневного опыта: увлажненная поверхность тела на ветре охлаждается.

Рис. 1.1. Охлаждение воды испарительным способом в Древнем Египте

В Индии с незапамятных времен и вплоть до прошлого века тоже использовалось испарительное охлаждение, но в сочетании с другим процессом, делавшим его еще эффективнее. Плоские керамические открытые сосуды, напоминающие по форме большие сковороды, наполнялись водой и помещались на соломенных подстилках, уложенных на дне неглубокий траншей, вырытых в грунте. В ночное время при ясном небе вода в плоских сосудах настолько охлаждалась, что иногда покрывалась коркой льда. Частично охлаждение объяснялось испарением воды, но главная причина была в другом – тепловом излучении с поверхности воды.

Сейчас трудно сказать, как объясняли столь сильное охлаждение воды древние изобретатели этого способа.

Научным исследованием теплового излучения начали заниматься только в XVIII в.; первыми были члены знаменитой флорентийской «Академии опытов». Более основательное исследование провел швейцарский профессор М. Пикте (1740 г.). Схемы его опытов показаны на рис. 1.2. Использовались два металлических вогнутых зеркала, установленных одно напротив другого. В фокусе первого зеркала (рис. 1.2, а) помещался сосуд с горячей водой. Тогда термометр, установленный в фокусе второго зеркала, показывал повышение температуры по сравнению с температурой окружающей среды. Если же поместить в фокус первого зеркала сосуд с кусками льда (рис. 12, 6) (что было сделано по совету математика Бертрана), то термометр показывал температуру ниже, чем в окружающей среде. Раньше такие эффекты объясняли действием в первом случае теплых (калористических – от латинского слова calore) лучей, а во втором – холодных (фригорических – от латинского слова frigore). Такое объяснение шло в русле положения, идущего еще от Аристотеля, о существовании неких «теплого» и «холодного» начал, могущих смешиваться в разных соотношениях.

Однако Пикте преодолел груз этих представлений и впервые нашел правильное объяснение. То, что он назвал «тепловой эманацией» (т.е. энергия, передаваемая излучением), всегда идет от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

На рис. 1.2, б таким более теплым телом служит шарик термометра, а более холодным – лед. Поэтому термометр охлаждается, а лед тает. Необходимость в двух началах – теплом и холодном, таким образом, отпала.

Рис. 1.2. Опыт М. Пикте: 1 — сосуд с кипящей водой; 2 — термометр; 3 — сосуд со льдом

В «индийском варианте» охлаждения излучение сравнительно теплой воды уносит намного больше энергии, чем дает ей излучение холодного ясного ночного неба. Поэтому вода охлаждается так интенсивно.

Достижения в области охлаждения воды испарением через стенки пористых сосудов были забыты после падения античной цивилизации. Только в средние века с помощью арабов эти «холодильные чудеса» попали в Испанию и Португалию. Здесь широко распространились пористые сосуды для охлаждения воды, называемые «алькарацца». Затем они проникли дальше в Европу, прежде всего во Францию, где стали известны во времена Франциска I (1494-1547 гг.).

Развитие испарительного охлаждения тогда остановилось на сугубо практическом уровне. Никто в то время не мог предполагать, что в будущем, после целой серии научных исследований в XVII и XVIII вв., оно обеспечит базу для создания одного из основных направлений низкотемпературной техники XIX и ХХ вв. (см. гл. 2).

Несколько позже, чем испарительное охлаждение, был изобретен и другой способ охлаждения — посредством смешения (точнее его можно было бы назвать растворением). Первое краткое упоминание об открытии, лежащем в его основе, содержится в индийской рукописи «Панкатантрам», датируемой IV в. до н.э. Оно гласит: «Вода охлаждается, если в нее добавляется соль». Основанный на этом методе способ получения льда описан арабским писателем Ибн-Аби-Усабия (1203-1269 гг.).

К XVI в, в Европе было уже широко известно применение растворения селитры в воде для охлаждения напитков. В частности, охлажденной таким способом водой, поили рабов-гребцов на галерах. В 1550 г. вышло даже специальное научное сочинение испанского врача Блазиуса Виллафранка. Это, пожалуй, первое из известных практических руководств по холодильной технике. Оно, как и полагалось в то время, было написано на латинском языке и имело, как тогда было принято, длинное название, из которого для нас важны первые два слова: «Меthodus refrigerandi» (методы охлаждения). В нем, в частности, сказано, что такой способ охлаждения воды и вина широко известен и применяется горожанами в домашнем хозяйстве.

Вскоре был сделан и следующий шаг: было установлено, что смешение селитры со снегом позволяет получать значительно более низкие температуры. Впервые этот способ был описан в труде неаполитанца Баптисто Порта «Madia Naturalis» (1589 г.). Неаполитанский врач Латинус Танкредус писал (1607 г.) о быстром замораживании воды в сосуде, помещенном в такую смесь.

Охлаждающие смеси и в дальнейшем сыграли существенную роль в развитии исследований в области низкотемпературной физики и техники. По существу, они вплоть до середины XIX в. оставались основным средством охлаждения в экспериментальных работах.

В быту они использовались еще долгое время. Еще в 20-е годы нашего века в Москве и других городах готовили и продавали мороженое в бачках, помещенных в ящики с соленым льдом. Так же замораживались и хранились многие пищевые продукты.

Следующая страница: Две руки природы в трудах Фрэнсиса Бэкона