Штурм абсолютного нуля

Для превращения жидкости в пар требуется некоторое количество тепла, называемое скрытой теплотой парообразования или испарения. Теплота испарения кислорода, в пересчете на один грамм, в десять раз меньше, чем у воды. Поэтому для сохранения кислорода в жидком состоянии более или менее продолжительное время криостат нуждался в хорошей тепловой изоляции. А скрытая теплота испарения водорода, согласно оценке ученых того времени, по крайней мере в четыре раза меньше скрытой теплоты испарения кислорода.

Это означало, что если водород все‑таки удастся сжижить, то его нельзя будет сохранить в течение какого‑либо времени в криостате применяемой тогда конструкции.

На лекции 20 января 1893 года Дьюар демонстрирует вакуумный сосуд, получивший впоследствии его имя, столь совершенной конструкции, что она осталась неизменной вплоть до наших дней[2].

Читатель уже знает, что первоначально в течение ряда лет применялись криостаты с двойными стенками, пространство между которыми можно было освободить только от водяных паров. Дьюар существенно усовершенствовал конструкцию криостата, откачав воздух из пространства между стенками до глубокого вакуума. В результате резко уменьшился теплообмен между окружающей средой и веществом, находящимся внутри сосуда. Для уменьшения тепловых потерь посредством излучения поверхности стенок, образующих вакуумное пространство, покрываются тонким слоем серебра и полируются.

На лекции Дьюар с присущим ему артистическим блеском продемонстрировал преимущество своего изобретения по сравнению со старым типом криостата. Сначала он показал жидкий кислород, находящийся в спокойном состоянии, словно обычная вода.

Затем он отломил носик на стеклянном баллоне; как только воздух попал между стенками, жидкий кислород начал интенсивно кипеть.

Изобретение Дьюаром вакуумного сосуда — огромный шаг вперед в технике низких температур.

Возможность длительного хранения жидких газов в сосудах Дьюара позволила теперь исследователям проводить эксперименты со значительно большими количествами жидкого газа, исчисляющимися уже не кубическими сантиметрами, а литрами.

Решив эту проблему, Дьюар смог непосредственно заняться сжижением водорода.

Какие выводы он смог сделать из опыта своих предшественников?

В первом эксперименте Кальете охлаждение достигалось за счет истечения струи газа из сосуда со сжатым газом. Газ расширялся, и его температура понижалась.

Это был процесс до некоторой степени стихийный и неуправляемый. Напомним, что первоначально струя газа вырвалась из сосуда против воли экспериментатора — в результате аварии. Эффективность такого процесса относительно невелика.

А что, если струю не выпускать в атмосферу, а заставлять газ работать?

Так возникла идея детандера.

Что такое детандер? Попросту говоря, это цилиндр с поршнем.

Газ сжимается с помощью специальной машины — компрессора до давления в десятки, а иногда сотки атмосфер. Сжимаясь, газ нагревается, а это как раз и не нужно! После компрессора газ поступает в теплообменник, представляющий собой змеевик, обтекаемый проточной водой. Здесь газ восстанавливает свою первоначальную температуру.

Затем он попадает в детандер, где толкает поршень, совершая при этом механическую работу. В результате расширения в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой происходит уменьшение внутренней энергии газа, и его температура падает.

После охлаждения газ поступает в холодильную камеру. Отнимая тепло у охлаждаемого тела, газ нагревается и возвращается в компрессор, чтобы снова пройти весь цикл.

Наиболее уязвимым местом этого охлаждающего устройства является собственно детандер. Перемещающийся в цилиндре поршень требует смазки. Между тем смазочный материал, не твердеющий при очень низкой температуре, подобрать трудно.

Не менее сложная проблема — создать уплотнение между цилиндром и поршнем, необходимое для предотвращения утечки газа. К тому же детандер- ный способ охлаждения действует тем хуже, чем ниже температура.

Может быть, можно обойтись без поршня и других движущихся частей?

И Дьюар вспоминает об интересном явлении, обнаруженном еще в 1853–1854 годах английскими учеными Джеймсом Джоулем и Уильямом Томсоном и получившем название эффекта Джоуля — Томсона (дроссельного эффекта).

Суть этого эффекта заключается в изменении температуры газа при прохождении через теплоизолированный дроссель, то есть суженное отверстие (пористую перегородку, вентиль), в направлении от большего давления к меньшему.

Газ проходит через суженное отверстие стационарно: перед дросселем и после него давление должно оставаться постоянным.

До дросселя оно такое, какое создается компрессором, например, десять атмосфер, а после дросселя оно может быть равно, например, одной атмосфере.

Один и тот же газ может иметь при разных температурах и различных начальных давлениях разный по знаку эффект Джоуля — Томсона: положительный (газ охлаждается) или отрицательный (газ нагревается).

Изменение знака эффекта Джоуля — Томсона называется инверсией.