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

Работы Ольшевского в области криогеники

Ольшевский прожил еще долгие годы (он умер в 1915 г.), неустанно работая в той же избранной с самого начала области и совершенствуя криогенное оборудование со своими помощниками и мастерами. Среди последних особо выделялся университетский механик В. Гродзинский, организовавший в 90-х годах фирму, изготовлявшую под научным руководством Ольшевского для многочисленных заказчиков из разных стран лабораторные аппараты для ожижения кислорода, воздуха и водорода. Эти аппараты постоянно совершенствовались и были лучшими для своего времени. К. Ольшевский использовал и все новое, что делалось в других странах, в частности первые работы Линде в области криогеники.

Характерно, что Ольшевский не патентовал свои многочисленные изобретения, используемые в изделиях фирмы; в то время на востоке Европы еще сохранилось убеждение, что истинному ученому не к лицу торговать своими идеями. (Вспомним, что А. С. Попов тоже не патентовал свои изобретения в области радио, в отличие от Маркони.)

Тем не менее, фирма Гродзинского процветала. Обложка одного из ее каталогов показана на рис. 4.4. Фирма просуществовала до первой мировой войны. О ее популярности может свидетельствовать факт, о котором нельзя не упомянуть. Через много лет после описываемых событий, в мае 1932 г., американское посольство в Варшаве получило письмо одной фирмы (Г. Холуа). В нем было написано: “Перед войной в Кракове существовала фирма по производству красивых машин для ожижения таких газов, как воздух, водород и т.д. Я думаю, что она была в сотрудничестве с Краковским университетом…” Заканчивалось письмо просьбой установить точное название и адрес фирмы для установления деловых связей.

Рис.4.4. Обложка каталога установок для ожижения воздуха и водорода фирмы В. Гродзинского со ссылкой на проф. К. Ольшевского.

Работы Ольшевского, после отделения от Вроблевского, можно разделить на два этапа: до 1895 г. и после него. На первом этапе он использовал и совершенствовал уже проверенные методы, основанные на испарении ожиженных газов под вакуумом. Здесь он добился двух важных результатов.

Первый из них относится к попыткам ожижения водорода. Еще до смерти Вроблевского, в 1884 г., как он, так и Ольшевский, каждый независимо один от другого, сделали попытки ожижить водород, сочетая идею Кайете, основанную на расширении ожижаемого газа с отдачей внешней работы с интенсивным испарительным охлаждением. Аппаратура была сходна с той, которая была у Кайете. Разница состояла в том, что предварительное охлаждение делалось не испарением SO₂, как у Кайете, а кипящим под вакуумом кислородом. Это дало возможность Ольшевскому понизить «стартовую» температуру до -198^oС (75 K). У Вроблевского она составляла -182^oС (91K), так как он кислород испарял без вакуума. Начальное давление сжатого водорода было 10 МПа в опытах Вроблевского и 19 МПа в опытах Ольшевского. Оба утверждали, что в конце расширения водорода наблюдали появление тумана, свидетельствующего об ожижении водорода.

Результат Ольшевского стал причиной довольно длительной дискуссии о приоритете в ожижении водорода между ним и англичанином Д. Дьюаром, который в 1898 г. (о нем речь впереди) получил водород в виде жидкости в сосуде.

В конце концов, через много лет в дискуссии появилось промежуточное решение, удовлетворившее и польскую, и британскую стороны: Ольшевский первым получил жидкий водород в виде тумана (в “динамическом состоянии”), а Дьюар – первым в виде жидкости (“статическое состояние”). Повторилась та же ситуация, что и при ожижении кислорода: Пикте и Кайете получили жидкий кислород в виде тумана, а Вроблевский и Ольшевский – в виде жидкости.

Так или иначе, несомненно, что в этих опытах польские исследователи, аналогично Пикте и Кайете, сделали новый, хотя и кратковременный, но намного более глубокий рейд в область криотемператур, выйдя уже к уровню температур ниже 30 K. Для того времени это был рекордный результат.

Другим достижением, вернее двумя достижениями, Ольшевского в этот период было первое ожижение, а затем и замораживание вновь открытого газа – аргона. Его обнаружили в воздухе английские физики Дж. Рэлей и В. Рамзай в 1894 г.

Может показаться странным, что этот элемент, содержащийся в воздухе в солидном количестве (объемная доля составляет 0,912% или массовая доля – 1,28%), оставался так долго неизвестным. Дело в том, что, будучи химически инертным (отсюда и название – аргон по-гречески “ленивый”), он “прятался” за азотом, и только спектральный анализ помог его выявить. [Правда великий английский физик и химик Г. Кавендиш обнаружил его в 1781 г., удаляя азот из воздуха в результате окисления посредством электрических разрядов (подробнее об этом в гл. 5)]

Началось активное изучение свойств нового вещества; в том числе нужно было и определить его критическую температуру, и попытаться перевести в жидкое состояние. Нужно было обратиться к специалисту в области низких температур, имеющему соответствующее оборудование. Таких людей было двое – коллега Рэлея и Рамзая по Лондонскому Королевскому обществу Д. Дьюар (о котором речь впереди) и К. Ольшевский в далеком Кракове. В. Рамзай выбрал Ольшевского. Немалую роль сыграло и то обстоятельство, что Рамзай и Дьюар были в очень тяжелых отношениях. Д. Дьюар, хотя и мог тоже решить задачу, но имел совершенно несносный, тяжелый характер; помириться с ним было трудно. В. Рамзай решил с ним не связываться. Он послал в Краков письмо и драгоценную стеклянную ампулу с 300 см3 аргона. К. Ольшевский немедленно принялся за работу.

В статье о ее результатах он писал: “Я провел эксперименты по его (аргона – В. Б) свойствам при низких температурах и высоких давлениях, чтобы пополнить, хотя бы частично, знания об этом интересном веществе”.

Прибор, который использовал Ольшевский, был относительно несложным. Аргон, подлежащий сжатию и охлаждению, подавался посредством столбика ртути из мерного сосуда в трубку, погруженную либо в жидкий этилен, либо в жидкий кислород (в зависимости от нужной температуры криостатирования). [Криостатирование – поддержание на объекте некоторой постоянной криотемпературы.] Откачкой пара какой-либо из этих жидкостей устанавливалась нужная температура аргона.

На этом приборе Ольшевский не только получил жидкий аргон и определили температуры его кипения при разных давлениях, в том числе критическую, но и заморозил его при T=84,5 K (-189,6^oC).

Это было крупным достижением. Впервые один из «постоянных» газов был переведен в твердое состояние. Судьба аргона в этом смысле была печальной. Другие «неподдающиеся» газы, давно известные, еще не покорились – до получения твердых кислорода, азота и оксида углерода еще было далеко. А аргон был покорен почти сразу после открытия.

Этим крупным достижением завершился первый период самостоятельной работы Ольшевского.

Второй период наступил после 1895 г., года Линде и Хэмптон осуществили свои ожижительные дроссельные установки, начав тем самым новое, перспективное направление в криогенике. К. Ольшевский быстро понял заложенные в нем возможности и создал на основе синтеза этих идей со своими разработками целую серию новых, более эффективных лабораторных ожижителей газов. Они были самыми лучшими из всех, тогда существовавших, и исправно служили науке в Вене, Берлине, Лейпциге, Праге, Мюнхене, Бонне и даже в Токио.

Работал Ольшевский и над ожижением водорода, чтобы получить его, как и кислород, в статическом состоянии. Он добился и этой цели, но слишком поздно; Д. Дьюар опередил его, впервые ожижив водород в 1898 г. Незадолго до смерти Ольшевского началась первая мировая война. Достойного преемника, способного в этих трудных условиях продолжить традиции краковской научной школы, не нашлось; все ее работы были прекращены, а сохранившееся оборудование отправлено в музей.

Следующая страница: 4.2. Дросселирование показывает возможности в криогенике