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

Введение

Низкий... (переносн.)... малый, недостаточный,
слабый, плохой, дурного качества.
Толковый словарь русского языка
под ред. И. Д. Ушакова

В технике, так же как и в других областях человеческой деятельности, представление о новом, прогрессивном чаще всего связано с понятием «высокий» – высокие скорости, высокие напряжения, высокое качество, высокий класс... Все это так. Однако, вопреки толковому словарю, и слово «низкий» часто звучит не хуже, а даже лучше, чем «высокий» (низкие цены, низкий уровень заболеваемости, радиации, преступности и т.п.). Применительно к температуре это слово тоже не может быть синонимом плохого; оно уже давно связывается с высшими достижениями в науке, технике и качестве жизни.

От какой точки начинается отсчет низких температур – официально не установлено; обычно к ним относят те, которые лежат в области ниже температуры окружающей среды, комфортной для человека, т.е. 20°С (по абсолютной шкале Кельвина 293K - Подробно о температурной шкале Кельвина рассказано в гл. 2.). Эта область температур, простирающаяся вплоть до абсолютного нуля (0 K или -273°С), обычно делится на две части. Верхняя, расположенная над условной границей 120 K (-153°С), используется в холодильной технике; нижняя, более труднодоступная, – в криогенной.

Слово «криогенный» было предложено известным голландским физиком и инженером Г. Камерлинг-Оннесом – одним из основоположников физики и техники низких температур. «Криос» по-гречески означает «холод», «холодный», а «генос» – «производить», «рождать», «генерировать».

История завоевания человеком области низких температур насчитывает тысячелетия; однако проникнуть в самую труднодоступную ее часть, где господствуют криотемпературы, не существующие в земной природе (cамая низкая температура, зафиксированная на Земле в естественных условиях, составляет –88,3°С - станция «Восток» в Антарктиде, 1961 г.), удалось только в середине прошлого века. На первый взгляд, это представляется странным. Действительно, кажется, что преодолеть каких-то 250-270 «холодных» градусов гораздо проще, чем те тысячи «теплых» градусов, которые человек перешагнул еще в незапамятные времена, научившись добывать огонь. Однако это не так: «теплые» и «холодные» градусы, несмотря на одинаковое значение на шкале термометра, качественно различны.

Чтобы повысить температуру тела, нужно сообщить ему энергию. Это можно сделать либо посредством затраты работы (например, трением или ударом), либо посредством реакции, высвободив химическую энергию (например, горением). Если же освободить ядерную энергию, то счет «теплых» (вернее, «горячих») градусов идет на миллионы. Нагреть же горячими продуктами реакции любой предмет – это уже дело более простое. Тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Человек владел обеими процедурами – и получением более нагретого тела (горячих газов), и передачей тепла к менее нагретому еще тогда, когда, например, поджаривал на костре кусок мамонта. Более того, огонь и высокая температура могут возникать и самопроизвольно, например, при лесном пожаре.

Понизить температуру тела таким относительно простым путем невозможно. Действительно, чтобы это сделать, нужно отнять у него энергию. Но тепло само никогда не переходит от менее нагретого тела к более нагретому; нельзя вскипятить чайник, поставив его на лед. Казалось бы, самый простой выход из положения – тоже использовать для охлаждения передачу тепла от более теплого тела к более холодному. Но где взять что-либо более холодное, чем то, что имеется в окружающей среде?

Можно, например, взять (или привезти издалека) лед и использовать его; но таким путем все равно нельзя опуститься по температурной шкале ниже того уровня, который уже достигнут самой природой. Чтобы дальше снизить температуру, нужно «превзойти природу», которая «скупо дает нам холод», как писал великий английский философ и ученый Ф. Бэкон (1561–1626 гг.).

Проблема получения очень низких температур интересовала в то время не только ученых и философов. Она волновала и служителей церкви.

В 1621 г., еще при жизни Ф. Бэкона, вышла книга профессора Миланского университета Антонио Руски на актуальную тему – об аде. Он подошел к делу очень серьезно, проштудировав творения 300 (!) отцов церкви. Ад, по его мнению, находится в центре Земли, в царстве вечного огня; туда можно даже проникнуть через кратеры вулканов. Возникла только одна трудность: отцы церкви утверждали, что грешников пытают не только огнем, но и страшным, пронизывающим холодом (не отсюда ли выражение «адский холод»). Но откуда берется холод в царстве вечного огня? Ведь огонь может лишь нагреть и испарить воду, но никак не заморозить ее!

Антонио Руски, в отличие от Ф. Бэкона, не стал ломать голову над тем, как получить из тепла холод. Он блестяще вышел из положения в чисто средневековом духе: «Бог, который создал огонь, в силах получить из него и мороз».

Способ охлаждения, с такой изящной простотой найденный миланским профессором, не помог в то время продвинуть вперед науку о холоде. Решить ее проблемы по-настоящему в полном объеме удалось лишь три века спустя. Среди них был найден и способ «получить холод из огня», Руски был не так уж неправ! Однако в XVII в. до этого было еще очень далеко.

С самых ранних времен стремление проникнуть в область низких температур определялось (как и в других областях) двумя побудительными мотивами. Первый из них – желание познать природу, объяснить, а потом и предсказать. Отсюда начинаются естественные науки. Второй – создать устройства, позволяющие использовать то, что может дать природа для нужд человека, улучшения условий его жизни. Отсюда рождаются техника и технология.

Применительно к теории, связанной с низкими температурами, предстояло сделать очень много: перенести с бытового уровня на научный такие понятия, как тепло, холод; ввести понятие о температуре; научиться их измерять; узнать, что происходит в телах при охлаждении, как меняются их свойства… и, наконец, главное - найти способы заставить вещество понижать свою температуру «вопреки природе» (но в согласии с ее законами, которые тоже еще предстояло познать). Все это было далеко не так легко, как иногда представляется; только длительная и упорная работа многих и многих исследователей позволила найти и отстоять нужные ответы и решения.

Такой же трудный путь предстоял и создателям низкотемпературной техники. Только во второй половине ХIХ в. трудами многих изобретателей и инженеров были разработаны ее основы, позволившие в дальнейшем создать целую новую отрасль. На пути стояли многочисленные трудности как теоретического, так и практического характера, совершенно неизвестные ранее. Но так же, как и при создании научной базы, они были преодолены; мы теперь располагаем самыми удивительными творениями низкотемпературной техники, успешно работающими не только «на земле, в небесах и на море», но и даже в космосе и под землей. Естественно, что достигнутый сегодня уровень – далеко не предел. И теперь, в конце ХХ в., работа во всех направлениях – и научном и техническом – продолжается; возникают и новые задачи, и новые решения, уходящие в ХХI в.

С использованием холода положение несколько иное. Основные потребности в .холоде были ясны с самого начала. Разумеется, что при этом далеко не все возможности использования низких температур могли проявиться. Большая их часть даже не могла и прийти в головы самых передовых людей не только в древности, но и в XVIII и даже в ХIХ в. однако две главные, и до сих пор определяющие по масштабу применения возможности были ясны с незапамятных времен: охлаждение пищевых продуктов, напитков и создание по возможности сносных условий жизни при высокой внешней температуре (нечто похожее на -то, что теперь называется кондиционированием воздуха). Разумеется, второе можно было реализовать для очень узкого привилегированного круга высшей знати, но тем не менее задача была поставлена (и решена). Постепенно круг применений низкотемпературной техники расширялся и к нашему времени стал почти необозрим. Здесь можно ограничиться лишь кратким перечислением некоторых его фрагментов.

Из охлаждения и замораживания пищевых продуктов родилась целая отрасль, включающая новые процессы – быстрое замораживание, позволяющее сохранять продукты, в том числе фрукты и овощи, на длительный срок и восстанавливать их практически в свежем виде; сублимационная сушка, дающая порошки и пасты, превращающиеся при добавлении воды в полноценные продукты. Медики охлаждают и хранят плазму крови, биологические препараты, ткани и даже целые органы для пересадки, а иногда и охлаждают для сложных хирургических операций весь организм человека. Развилась даже целая отрасль медицины, совсем новая – криохирургия.

После того как удалось при криотемпературах ожижить все газы, появилась специфическая отрасль промышленности – ожижение газов и разделение газовых смесей для получения в жидком и газообразном виде кислорода, азота, аргона, неона, метана, гелия и других продуктов.

Эти продукты миллионами кубометров идут в металлургию, химию, машиностроение, ракетную технику и для использования в научных лабораториях.

В электротехнике понижение сопротивления металлов и сплавов, а в некоторых случаях его полное исчезновение (сверхпроводимость) позволяют создавать совершенно небывалые мощные устройства – накопители энергии, ускорители элементарных частиц и др. В радиотехнике и электронике, которые сами по себе еще молоды, появилось множество новых приборов и агрегатов, в которых используются низкие температуры. Без них, в частности, невозможна была бы спутниковая связь и дальнее телевидение. Этот перечень можно было бы еще долго продолжать, а, если развернуть его подробно, не хватит не только этой относительно тонкой книги, но и нескольких толстых книг.

В дальнейшем изложении, которое относится в основном к истории получения холода, мы затронем по ходу дела лишь те его применения, описание которых поможет главной цели – рассказать об истории продвижения людей в области низких температур.

Начнем с самого начала, помня завет знаменитого немецкого философа Гегеля: «Чтобы знать предмет, надо знать историю предмета». Добавим к этому, что история любого предмета никогда не бывает менее интересной, чем сам предмет. А иногда и более...

Следующая страница: 1.1. «Естественное» охлаждение