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.
Ученые, которые изучают остатки далекого прошлого, называются археологами.
Древние города, поселки, постройки, даже костры, вокруг которых сидели когда-то наши предки, и те интересны археологам.
Роются они в земле, вытаскивают оттуда черепки, осколки, остатки оружия, всевозможную утварь и так далее.
В числе всяческой посуды им иногда попадаются кувшины из очень пористого материала. Стоит такой кувшин весь в поту, как будто ему жарко. А может быть, ему и в самом деле жарко? Зато вода в таком кувшине всегда будет прохладной. Кувшин не случайно изготовляли из очень пористой глины.
Древние народы были не менее сообразительны, чем мы. Раскопки происходили в жарких странах. Там очень важно, чтобы вода, налитая в кувшин, не нагревалась. Кому интересно пить теплую воду! Для этой цели и делали пористые кувшины. Вода постепенно испаряется через поры. Покидают жидкость самые активные молекулы, самые быстрые. Жидкость, естественно, остывает.
Испарение — один из самых верных способов остудить жидкость.
Каждый знает, что на горячий чай надо подуть, тогда он быстро остынет.
Так что, как видите, древние народы все это прекрасно учли, хотя и не знали физики. Вода в таких пористых кувшинах может стоять долго. И все время она будет прохладной, приятной на вкус.
Летом любой из нас с удовольствием поливает себя холодной водой. Хорошо, прохладно! Что происходит? Вода испаряется, понижается температура тела. Ведь для испарения воды нужно тепло, вода забирает его и от нашего тела. Поэтому мы и ощущаем прохладу.
Когда жидкость испаряется, ее внутренняя энергия тоже уменьшается. Ведь молекулы отрываются от жидкости. Для этого нужна работа. И теряет жидкость на эту работу часть своих запасов энергии.
С холодильником теперь знакомы все. Работает там электрический ток, а «подсобным рабочим» является особая жидкость — фреон, циркулирующая по трубкам. Она замечательна тем, что очень легко и охотно испаряется, охлаждая все вокруг.
Собственно говоря, фреон совершает внутри холодильника круговое путешествие, испытывая в каждом круге по два превращения. Сначала он существует в виде газа. Газ с помощью компрессора сжимают, и он превращается в жидкость. Жидкий фреон перегоняют в металлическую трубочку. Давление воздуха там маленькое. А температура кипения жидкости очень сильно зависит от давления воздуха. Чем оно меньше, тем легче молекулам покидать жидкость. Вот почему попавший в такие условия фреон начинает лихорадочно кипеть — испаряться.
Температура сразу падает до минус 32 градусов. Испарившиеся молекулы фреона стремительно поднимаются вверх. Но тут же их вольной жизни приходит конец. Газ снова попадает в компрессор и опять становится жидкостью, чтобы повторить все тот же охладительный цикл много раз.
Так электрический ток с помощью фреона совершает работу — беспрерывно охлаждает внутренность холодильного шкафа.
Не будет тока — остановится компрессор, прекратятся круговые превращения фреона — холодильник станет неудобным шкафом для посуды.
Температура минус 32 градуса, конечно, получается там, где испаряется фреон. Ближе к стенкам и двери она намного выше, ведь там теплее, в квартирном холодильнике — от минус 2 до плюс 6 градусов. Поэтому разные продукты кладут в различные места холодильника. Одним нужно место похолоднее, а другим — не очень холодное. В самый холод попадает мороженое. И оно получается твердое как камень.
Холодильники промышленные, которые работают на больших мясокомбинатах, устроены примерно так же.
Значит, жидкость, испаряясь, совершает внутреннюю работу. Поэтому она и остывает. А когда испарение идет сквозь пористый кувшин, то работа получается еще большей. Поэтому охлаждается вода в этом случае очень сильно.
На этом мы простимся с жидкостями. Теперь уже наш путь в страну сверххолода будет связан только с газами.
Это пар или газ?
Жидкость испаряется. При любой температуре самые быстрые частички — молекулы — помаленьку покидают ее.
Появляется пар. Из газообразного состояния вещество переходит в жидкое, и наоборот.
Часто испаряется не вся жидкость целиком. В какое-то время процесс останавливается. Почему? Образуется насыщенный пар, говорят ученые. Ведь одновременно с испарением, когда молекулы жидкости покидают ее, чтобы начать вольную жизнь, другие молекулы конденсируются, попадают из газа в жидкость. Сначала молекул «свободолюбивых», конечно, больше. А потом их число может сравняться. Вот и получится насыщенный пар. Если температуру не изменять, то он таким и останется. Вот, скажем, в той же комнате распространился водяной пар. Заполнил комнату, стал насыщенным. Что это значит? А вот что.
Одни молекулы испаряются, а другие, наоборот, попадают в жидкость. Если пар насыщенный, то в среднем тех и других столько же.
Значит, число испарившихся молекул, тех, что ведут свободную жизнь в комнате, витают в воздухе, в каждом кубическом сантиметре теперь в среднем такое же. Вот если мы нагреем комнату, дело тотчас же изменится. Жидкость начнет испаряться сильнее. И пара в воздухе станет больше. Хватит воды в комнате — останется пар насыщенным. Только жидкости, то есть воды, станет меньше. Охладим воздух, температура в комнате упадет — часть пара превратится в жидкость, снова станет водой.
Ну, а если вся жидкость обернется паром, то перед нами будет самый настоящий газ.
В свое время ученые много спорили о том, что же такое пар — газ это или нет.
Про воду все понимали, потому что, как говорится, секрет был известен. Каждый ведь видел, как вода обращается в лед или кипит, как лед тает.
А вот газы воздуха никто еще тогда жидкими не видел.
С водой все получилось гладко. Надо было изменить температуру, чтобы вода преобразовалась в лед или пар. Потом ученые сумели сконденсировать пар давлением. Увеличили давление — и заблестели капли воды там, где за минуту до этого и проживал бесцветный пар. А вот водород, кислород, азот никакими способами не удавалось обратить в жидкость. Может быть, этого нельзя сделать вообще? Многие так и думали. Великий английский физик Майкл Фарадей первый высказал мысль, что пары и газы — одно и то же.
Он взял известный уже тогда тяжелый отравляющий газ хлор. Сначала Фарадей подверг газ большому давлению. Не помогло. Газ оставался газом. Тогда ученый одновременно стал замораживать сосуд, где все это происходило. И вот под напором высокого давления и низкой температуры хлор сдался.
Так впервые ученые познакомились с жидкостью, которая при нормальных условиях не могла бы существовать. Появился жидкий хлор, и наконец-то стало ясно, что пары и газы — два названия одного и того же состояния вещества. Так и газ хлор можно было бы теперь назвать паром жидкого хлора.