Отримання низьких температур
Суттєвого зменшення температури можна досягти різними способами. Але ідея всіх способів одна і та ж: треба змусити тіло, яке ми хочемо охолодити, затратити свою внутрішню енергію.
Як же це зробити? Один із способів - змусити рідину кипіти, які не підводячи тепла ззовні. Для цього, як ми знаємо, треба зменшити тиск - звести його до значення пружності пара. Тепло, що витрачається на кипіння, буде запозичено з рідини і температура рідини і пара, а разом з нею і пружність пара будуть падати. Тому, щоб кипіння не припинялося і відбувалося швидше, з посудини з рідиною треба безперервно відкачувати повітря.
Однак падіння температури при цьому процесі настає межа: пружність пара стає врешті-решт зовсім незначною, і потрібний тиск не зможуть створити навіть найсильніші відкачують насоси.
Для того щоб продовжити зниження температури, можна, охолоджуючи газ отриманою рідиною, перетворити і його в рідину з більш низькою температурою кипіння.
Тепер процес відкачування можна повторити з другим. речовиною і таким чином отримати більш низькі температури. У разі необхідності такої "каскадний" метод отримання низьких температур можна продовжити.
Саме таким чином і надходили в кінці минулого століття; зріджування газів виробляли ступенями: послідовно перетворювали в рідину етилен, кисень, азот, водень - речовини з температурами кипіння -103, -183, -196 і - 253 ° С. Маючи в своєму розпорядженні рідким воднем, можна отримати і саму низькокипляча рідина - гелій (-269 ° С). Сусід "зліва" допомагав отримати сусіда "справа".
Каскадному методу охолодження без малого сто років. У 1877 р цим методом було отримано рідкий повітря.
У 1884-1885 рр. вперше був отриманий рідкий водень. Нарешті, ще через двадцять років була взята остання фортеця: в 1908 р Камерлинг-Оннесом в місті Лейдені в Голландії був перетворений в рідину гелій - речовина з найнижчою критичною температурою. Нещодавно був відзначений 70-річний ювілей цього важливого наукового досягнення.
Довгі роки Лейденська лабораторія була єдиною "низькотемпературної" лабораторією. Тепер же у всіх країнах існують десятки таких лабораторій, не кажучи вже про заводах, які виробляють рідкий повітря азот, кисень і гелій для технічних цілей.
Каскадний метод отримання низьких температур тепер застосовується рідко. У технічних установках для зниження температури застосовують інший спосіб зниження внутрішньої енергії газу: змушують газ швидко розширюватися і виробляти роботу за рахунок внутрішньої енергії.
Якщо, наприклад, стислий до декількох атмосфер повітря пустити в розширювач, то при здійсненні роботи переміщення поршня або обертання турбіни повітря так різко охолоне, що перетвориться в рідину. Вуглекислий газ, якщо його швидко випустити з балона, так різко охолоджується, що на льоту перетворюється в "лід".
Рідкі гази знаходять широке застосування в техніці. Рідкий кисень вживається у вибуховій техніці, як компонент паливної суміші в реактивних двигунах.
Скраплення повітря використовується в техніці для поділу складових повітря газів.
У різних областях техніки потрібно вести роботу при температурі рідкого повітря. Але для багатьох фізичних досліджень ця температура недостатньо низька. Дійсно, якщо перевести градуси Цельсія в абсолютну шкалу, то ми побачимо, що температура рідкого повітря - це приблизно 1/3 від кімнатної температури. Набагато цікавіші для фізики "водневі" температури, т. Е. Температури порядку 14-20 К, і в особливості "гелієві" температури. Найнижча температура, що виходить при відкачці рідкого гелію, це 0,7 К.
Фізикам вдалося і набагато ближче підійти до абсолютного нуля. В даний час отримані температури, що перевищують абсолютний нуль лише на кілька тисячних часток градуса. Однак ці наднизькі температури отримують способами, що не схожими на ті, що ми описали вище.
В останні роки фізика низьких температур породила спеціальну галузь промисловості, зайняту виробництвом апаратури, що дозволяє підтримувати при температурі, близькій до абсолютного нуля, великі обсяги; розроблені силові кабелі, струмопровідні шини яких працюють при температурі менше 10 К.