Вблизи абсолютного нуля - Смагин Борис Иванович (бесплатные онлайн книги читаем полные .txt) 📗
Но гениальный ученый смотрел вперед, далеко обгоняя свое время.
Ведь в конце концов действительно дело не в арифметике. Раз скорость движения молекул падает при охлаждении — должен быть предел, так как остановиться, замереть молекулы не могут.
Кажется, простой вывод. Как будто все ясно и так. А между тем надо было быть гениальным Ломоносовым, чтобы утверждать это в конце XVIII века, когда наука только еще становилась на ноги, когда мрак средневековья сменился узенькой полоской неяркого света. И главное — то, что Ломоносов дал представление об абсолютном нуле не из арифметических подсчетов, а используя глубокие представления о строении мира.
Гений выше других на много голов и видит он далеко вперед!
Однако предвидения Ломоносова стали законами физики лишь сто лет спустя.
Сразу же после Гей-Люссака за газы взялся английский ученый Уильям Томсон. Он, можно сказать, окончательно разделался с абсолютным нулем.
Томсон известен больше под другой фамилией, так как за научные заслуги ему был пожалован титул лорда Кельвина. Английский ученый, в частности, предложил новую шкалу для измерения температур. Она так и называется теперь: абсолютная шкала температур, или шкала Кельвина. Обозначаются градусы Кельвина буквой «К». Например, 20° К — двадцать градусов по шкале Кельвина. Удобна эта шкала, между прочим, тем, что у нее нет отрицательных и положительных температур. Все температуры — положительные, так как отсчитываются они от абсолютного нуля. Абсолютный нуль — нуль термометра Кельвина. Что касается значения одного градуса шкалы Кельвина, то оно совпадает с привычной нам шкалой Цельсия. Там тоже две опорные точки: замерзание воды и кипение ее. Расстояние между ними Кельвин разбил на 100 частей. И отложил 273 такие части вниз от бывшего нуля Цельсия — точки замерзания воды. Тут он и поставил значок «0». Конечно, сделал он это мысленно, на бумаге. В действительности в стране сверххолода обычным термометром ничего не сделаешь. И ртуть и спирт замерзнут. Измерение сверхнизких температур — дело очень хитрое и тонкое.
Сейчас во всех странах мира принята система единиц «СИ». Тут и знакомый нам метр, и секунды, и ампер, и ом.
А вот температуру эта стройная система единиц разрешает измерять в двух шкалах. Шкала Кельвина основная. Но можно пользоваться и термометром Цельсия. Ведь разница между ними лишь в расположении нуля.
От температуры Кельвина, от температуры абсолютной легко перейти к привычной нам шкале Цельсия, и наоборот.
Вот, например, водород превращается в жидкость и кипит при — 252 °C. Сколько это будет по Кельвину?
— 252 + 273 = 21° К.
Можно произвести и обратный подсчет.
21° К = 21 — 273 = — 252 °C.
Абсолютная шкала температур очень удобна. Но применяется она в основном, когда дело имеют с очень низкими температурами. А в наших обычных земных условиях немного смешно говорить, скажем, что температура 293 градуса. А на самом деле это наши 20 градусов Цельсия!
Не так уж и жарко!
Зато там, где пока что оперируют большими минусовыми температурами, конечно, удобнее вести более простой счет.
Но дело не только в этой простоте. Существуют серьезные научные основания, для того чтобы считать шкалу Кельвина самой удобной и самой строгой с точки зрения науки.
Так и будем знать.
Вот теперь мы познакомились с абсолютным нулем. И можно начать главное, для чего мы и затеяли этот разговор. Можно начать путешествие к абсолютному нулю.
Но наше путешествие будет необычным. Мы не просто собираемся познакомиться с чудесами сверххолода, побывать где-то рядом с абсолютным нулем. Нет, мы хотим еще научиться понижать температуру.
Правда, организовать получение сверххолода «на дому» вряд ли удастся. Но как интересно узнать о работе фабрик жидкого воздуха, холодильных машин, необычных установок, с помощью которых можно совсем близко приблизиться к абсолютному нулю.
Значит, решено. Едем вниз по шкале температур от нуля Цельсия к нулю абсолютному.
На нашем пути будут остановки. Мы посмотрим, как работают всевозможные холодильные машины. Как различные вещества преобразуются в холоде. А потом снова вниз по шкале, к абсолютному нулю!
Но сначала еще немного физики.
Как отнять тепло у тела
Знаете ли вы, что такое работа? Странный вопрос, не правда ли?
На первый взгляд с такими вопросами можно обращаться только к лодырям или тунеядцам, наставляя их на путь истинный. Любой человек с детских лет знает, что такое труд и работа.
И это понятие «работа», в общем, совпадает с тем, что под «работой» понимают в физике. Работу совершает каждый из нас. Разница одна. Для обыденной жизни одна работа будет полезной, а другая нет. Для физики же и танцы, и физическая зарядка, и ходьба — все это работа. Только надо добавить, что и человек, и животное, и любое физическое тело, совершая работу, или тратит часть своей энергии, или все время получает эту энергию откуда-то со стороны. Чтобы камень полетел, надо его кинуть или поднять повыше, а потом опустить. Чтобы забить молотком гвоздь, надо сильно ударить его.
Если приходится много работать, человеку необходимо хорошо поесть. На голодный желудок работать трудно. Человек питается, продукты питания превращаются в питательные вещества, увеличивают его внутреннюю энергию. А машины?
Паровоз жжет уголь, автомобиль — бензин, электромоторы расходуют электричество, которое поставляет им электрическая сеть.
Значит, всякое тело, работая, тратит часть своей энергии. Расходует то, что получает со стороны, или… В самом деле, а что будет, если энергии извне не поступит? Тело или не сможет совершить работу, или должно будет расходовать свою собственную внутреннюю энергию. А при этом тело должно остывать. Ведь именно внутренняя энергия связана с температурой тела. Это мы с вами уже знаем. Значит, чтобы понизить температуру тела, надо заставить его поработать. И, конечно, постараться сделать так, чтобы не помешал приток тепла со стороны. Ведь если оставить охлажденное тело в покое, к нему со всех сторон понесется тепло. Мы уже знаем об этом основном свойстве тепловой энергии — не оставлять никого в беде, согревать все кругом!
Иногда кажется, что не всякое тело можно заставить работать. Что, например, сделаешь с тем самым лежачим камнем. Под него, как говорится, и вода не течет. А между тем работа кипит в этом тихом, безмятежно расположившемся камне. Молекулы двигаются, внутренняя энергия есть, и притом немалая.
Как же до нее добраться?
Для твердых тел это нелегко сделать. А вот жидкости и особенно газы гораздо покладистее. Газы, например, особенно охотно отдают энергию. Этим и пользуются ученые и инженеры-конструкторы различных холодильных установок. Вся техника сверххолода основана на охлаждении газов. У них, оказывается, нетрудно забрать тепло, отнять энергию, иногда даже большими порциями.
Самое интересное, что газы в стране холода фигурируют как два лица.
Во-первых, сверххолод получают, пользуясь различными свойствами газов, а во-вторых, используют его в технике чаще всего для сжижения газов. Ведь вблизи абсолютного нуля не остается «в живых» ни одного газа. Они превращаются в жидкости, даже в твердые тела…
Газ может совершать два вида работ. Внешнюю, когда видно, что он, собственно, делает: скажем, двигает поршень, вращает турбину. И внутреннюю — когда только по тому, что падает температура газа, мы догадываемся о происходящем.
Мы уже знаем твердо — чтобы понизить температуру газа, надо заставить его совершить работу! Внешнюю, чтобы он «работал» на наших глазах. Или внутреннюю, когда на вид газ бездействует. Но в том и другом случае температура газа понизится.
А это нам и нужно!
Теперь посмотрим, что надо сделать, чтобы быстро и как следует охладить жидкость. Хотя мы обязались говорить только о газах, вопрос этот не постороннего происхождения. Он имеет самое прямое отношение к путешествию в сверххолод.
