книги / Ниже 120 по Кельвину

Ф.Г.ПАТРУНОВ

НИЖШ

1МКЕЛШНЙГ

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ЗНАНИЕ” МОСКВА

1989

ББК 31 П 20

Патрунов Ф. Г.

П 20 Ниже 120° по Кельвину. — М.: Знание, 1989. — 176 с.

15ВЫ 5-07-000070-5

ЛД. Ландау и других ученых.

Вкниге много примеров устройств, в которых используются крио­ генные температуры. Среди них космические ракеты, самолеты и

автомобили на водородном топливе, мазеры, сверхпроводящие элек­ трические машины, МГД-генераторы, СКВИДы, поезда на магнитной подушке, хирургический крноинструмент, хранилища биологического материала и т. д.

Введение

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ КРИОГЕННЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ?

Откуда взялась эта цифра — 120 К, то есть 120 гра­ дусов по термодинамической температурной шкале — шкале Кельвина?

В 1969 г. Парижское совещание по холоду приняло положение, согласно которому криогенными («крио» в переводе с греческого означает «холод»; «криогенный»— рождающий холод) считаются любые температуры ниже

120 К.

Полеты космических кораблей с людьми на Луну и попытки принять сигналы от братьев по разуму с нево­ образимо далеких объектов Вселенной, подъем урожаев на полях и улучшение пород сельскохозяйственных жи­ вотных, резкая интенсификация металлургического про­ изводства и создание летящих над землей поездов, обе­ спечение работы термоядерного реактора и МГД-генера- тора, прием загадочных гравитационных волн и конст­ руирование «холодных» электрических машин и линий электропередач, лечение рака и многих других болезней, продление жизни человека — эти и другие животрепещу­ щие проблемы человечества нельзя решить без приме­ нения криогенной техники.

Низкие температуры, образно говоря, открыли дверь в странный, но неизбежный мир квантовой техники, в глубины строения материи. Голландский ученый X. Ка- мерлинг-Оннес написал: «Из всех областей физики к нам подходят толпой вопросы, ожидающие решения от изме­ рений при гелиевых температурах».

Квантовая механика — одна из основ ускорения науч­ но-технического прогресса. Это лазеры и мазеры (усили­ тели и генераторы радиоволн), сверхпроводящие маши­ ны и приборы высочайшей чувствительности, радиотеле­ скопы и установки термоядерного синтеза, многие другие машины и устройства. Чем ниже температура, тем гуще частокол технических трудностей и проблем, но тем бо­

3

лее заманчивые перспективы открываются перед наукой и техникой.

Ранее криогенных, естественно, использовались более высокие температуры. Открытия и достижения в области умеренного холода дали возможность освоить более низ­ кие температуры. Поэтому первая глава посвящена тем­ пературам от 273 до 120 К. Затем книга поведет читате­ ля вниз по ступенькам температур, по пути к абсолютно­ му нулю. Таких ступенек выбрано четыре: 90 К, 77 К, 20,8 К, 4,2 К — по точкам сжижения наиболее употреби­ тельных хладагентов: кислорода, азота, водорода, гелия. Освоение температурного уровня начинается с сжиже­ ния соответствующего газа, который с помощью устройств криогенной техники, например сосудов Дьюара, может необходимое время поддержать нужную температуру.

В каждой главе рассказывается история открытия и сжижения одного из четырех перечисленных элементов, даны некоторые характерные криогенные конструкции, приведены интересные примеры. При такой структуре книги невозможно строго хронологически рассказать об освоении криогенных температур, в частности, осветить все перипетии борьбы за приоритет. Читатель познако­ мится только с наиболее значительными открытиями, заблуждениями и озарениями наиболее крупных ученых.

Автор хотел показать, как практически используются криогенные температуры в науке, технике, медицине, ка­ кие созданы (или создаются) машины, приборы, техно­ логические процессы.

Советский Союз создал свою мощную криогенную промышленность и экспортирует низкотемпературное оборудование, машины, приборы в 50 стран мира.

Вот, например, одно из предприятий отрасли — Все­ союзное научно-промышленное объединение (ВНПО) «Криогенмаш» имени 40-летия Октября. Каждую пяти­ летку объединение обновляет треть своей продукции, сни­ жает трудоемкость, улучшает качество, ускоряет созда­ ние новых изделий, широко используя (до 80%!) типовые и унифицированные узлы и детали. Оборудование из Ба­ лашихи становится все более компактным, легким, мощ­ ным, меньше потребляет электроэнергии. Специалисты «Криогенмаша» участвуют в наладке своего оборудова­ ния и даже обеспечивают его сервисное обслуживание.

В книге используется система СИ. Тем читателям, которые привыкли к показаниям домашних термометров

4

Сз

Рис. 1. Абсолютная термодинамическая шкала и шкала температур Цельсия

Глава 1

От 273 до 120 К

СОВСЕМ НЕМНОГО ИСТОРИИ. МАЙКЛ ФАРАДЕЙ. КРАСИВЫЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ВАЛЬТЕР НЕРНСТ. БЕСКОНЕЧНЫЙ ПУТЬ К АБСОЛЮТНОМУ НУЛЮ. ЕЩЕ О ПОЛЬЗЕ УМЕРЕННОГО ХОЛОДА

СОВСЕМ НЕМНОГО ИСТОРИИ

Сначала человек покорил огонь, научился готовить пищу на костре, обогревать жилище, затем поставил себе на службу холод. С незапамятных времен люди исполь­ зовали лед для хранения продуктов в пещерах, ямах, погребах.

Западногерманский профессор Ганс-Юрген МюллерБекк считает, что еще в палеолите люди использовали пещеры для хранения скоропортящихся продуктов. Архе­ ологи находят в них разложившиеся останки мамонтов

иносорогов.

ВДревнем Египте для хранения напитков использо­ вались пористые сосуды. Плохая теплопроводность мате­ риала и значительная поверхность испарения способство­ вали сохранению холода.

Историки утверждают: Александр Македонский лю­

бил замороженные соки. Его приближенные снег и лед доставляли с высоких вершин гор. Это было более 2 тыс. лет назад.

Всредние века некоторые ученые считали, что холод

итепло — это разные материи. В сочинении Пьетро Гас­ сенди, вышедшем в свет в 1658 г., утверждается, что ато­ мы холода острые. Проникая в жидкость, они скрепля­ ют ее.

ВXIII в. Марко Поло, вернувшись в Европу после знаменитого путешествия, привез рецепт китайского де­ сертного блюда — мороженого. 400 лет его держали в тайне. Долгое время холодное лакомство было доступно только итальянским монархам и французским королям.

В1794 г. в Санкт-Петербурге была издана книга «Ста­

7

ринная русская хозяйка, ключница и стряпуха», в кото­ рой содержались рецепты мороженого.

...В 1802 г. предприимчивый торговец Томас Мур из Вашингтона догадался сделать переносной ящик со льдом для перевозки масла. Год спустя делец взял патент на свое изобретение. На кухнях появились шкафы для хра­ нения продуктов с теплоизоляцией, с отделением для льда (его заготавливали зимой на реках), с поддоном и трубой для слива воды.

В середине прошлого века лед становится предметом торговли. Особенно много его доставляется в Индию, на Ближний Восток, в страны Южной Америки. (Междуна­ родная торговля льдом возрождается в наши дни весьма необычным образом. Япония приобретает айсберги в Гренландии и Антарктиде, и посетители токийских кафе пьют коктейли со льдом с Южного полюса. По расчетам ученых транспортировка айсбергов к безводным берегам Аравийского полуострова уже сегодня вполне осуществи­ мое и прибыльное дело.)

Получением низких температур путем сжижения га­ зов и теоретическими исследованиями занимались многие ученые. Расскажем только о Майкле Фарадее и Вальтере Нернсте. Опыты М. Фарадея открыли возможность дру­ гим исследователям освоить криогенные температуры. В. Нернст доказал невозможность достижения абсолют­ ного нуля.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ

Жизнь Майкла Фарадея (1791—1867) — хрестоматий­ ный пример бескорыстного служения науке. Он родился в семье кузнеца, рано познал нужду и в 12 лет был отдан в книжную лавку учиться переплетному делу, торговле книгами и писчебумажными товарами. По собственному признанию, в школе он получил лишь «начальные навы­ ки чтения, письма и арифметики».

К счастью, среди прочих книг ему попалась на глаза превосходная научно-популярная книга мадам Марсэ «Беседы по химии». Один из посетителей книжной лавки пригласил любознательного юношу на публичную лекцию по физике. Эти события решили судьбу Фарадея — вот еще одно доказательство значения популяризации знаний!

Майкл Фарадей проштудировал «Британскую энцик­ лопедию», «Письма о разных физических и философиче­

8

ских материях, писанные к некоторой немецкой принцес­ се» Леонарда Эйлера, сочинение Уатта «Об уме», «Хими­ ческое обозрение», многие другие труды.

Молодой переплетчик обратился с письмом к прези­ денту Лондонского королевского общества с просьбой предоставить ему любое самое скромное место при науч­ ном учреждении, лишь бы быть полезным науке.

Ответа не последовало. Майкл Фарадей дерзнул по­ вторить свою просьбу известному ученому, члену Лон­ донского королевского общества сэру Гемфри Дэви. Вместе с письмом знаменитый химик получил свои акку­ ратно переписанные и с любовью переплетенные публич­ ные лекции, на которых присутствовал Фарадей.

Вконце концов для Майкла нашлось место лаборанта

сочень небольшим окладом и две комнаты «на голубят­

не» на верхних этажах Королевского института «с углем и свечами».

Сохранился протокол Королевского института от 1.3.1813 г. «Сэр Гемфри Дэви имеет честь информировать директоров, что нашел человека, которого желательно на­ значить на должность... Его данные кажутся хорошими, его характер активный и бодрый, а образ действий ра­ зумный...»

Фарадей питал отвращение к полузнанию, он непре­ рывно трудился в лаборатории, ставя опыты своими ру­ ками. «Чем больше у меня дела, тем больше я учусь», — пишет он.

Сэр Гемфри Дэви пригласил Майкла в путешествие по Европе в качестве слуги, секретаря, лаборанта — ученый взял с собой походную лабораторию. Фарадей познако­ мился с Ампером, Гей-Люссаком, Вольтой, Гумбольдтом и другими учеными.

Вот рассказ Г. Гельмгольца о Фарадее: «Он показал мне все, что нужно было видеть. Но это было немного, ибо старые куски проволоки, дерева и железа кажутся ему достаточными, для того чтобы прийти к величайшим открытиям».

Вернувшись в Англию, Майкл Фарадей женился на Саре Барнар, дочери «серебряных дел мастера». Через четверть века *в шапке, в которой был и'переплетены науч­ ные дипломы, в том числе документ об избрании его в 1830 г. иностранным почетным членом Петербургской Академии наук, ученый написал: «Среди этих воспоми­ наний и отличий я ставлю дату события, которое больше,

9

чем они”все, было для меня источником гордости и сча­ стья. Мы поженились 12 июня 1821 г.».

Сэр Гемфри Дэви однажды признался: «Я сделал не­ сколько важных открытий для науки, но из них самое большое, что я открыл Фарадея». А известный русский физик А. Г. Столетов написал так: «...никогда со времен Галилея свет не видел стольких поразительных и разно­ образных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея».

Заслуги Фарадея были столь значительными, что его избрали членом Королевского общества —- в других стра­ нах это соответствовало званию академика. Путь от ла­ боранта до академика ученый прошел всего за 11 лет.

Позже он решительно отказался от поста президента Лондонского королевского общества: «Я хочу остаться до конца просто Майклом Фарадеем», — заявил, он. Отверг он и дворянский титул. Главная награда для ученого, считал Фарадей, — успешные результаты в науке. Хотя научные заслуги Фарадея были оценены современниками, большую часть жизни он довольствовался очень скром­ ной зарплатой. Чтобы свести концы с концами, ученый по совместительству работал судебным экспертом, науч­ ным консультантом при управлении маяков. Только на склоне лет Фарадей получил подарок от королевы Викто­ рии — большой и удобный дом.

В Вестминстерском аббатстве мемориальная доска Фарадею находится рядом с досками Ньютону, Максвел­ лу, Резерфорду.

Всемирную славу Фарадею принесли его открытия в области электромагнетизма и электрохимии. Менее из­ вестны его труды по сжижению газов.

Вернемся в 1823 г. Фарадей проверил и поставил поновому некоторые химические опыты своего учителя.

Несколько кристалликов хлоргидрата он поместил в за­ паянную У-образную стеклянную трубку. При умеренном нагреве желтые хлопья хлоргидрата стали таять, появил­ ся густой зелено-желтый газ и немного маслянистой жид­ кости на холодном конце трубки. Вошедший в этот момент доктор Пэрис, друг сэра Гемфри Дэви, пожурил молодо­ го лаборанта: «Вы плохо моете посуду перед опытами. Иначе откуда бы взялось в трубке масло?»

Уязвленный Фарадей промолчал. Вечером, после пуб­ личной лекции Дэви, к которой Фарадей готовил обору­ дование, он вернулся к прерванному опыту. Когда он на-

10