Получение низких температур и сжиженных газов

1908 году в физической лаборатории Лейденского университета под руководством выдающегося голландского физика Камерлинг-Оннеса был получен жидкий гелий при температурах, близких к Т=0 К (абсолютному нулю температур).

В 1911 году Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости (Нобелевская премия 1913 г.).

И вот не прошло и ста лет, как из этих открытий возникла целая наука — физика низких температур, а затем и обширная область — техника низких температур.

Изучение явления сверхпроводимости и других свойств веществ при низких температурах интенсивно продолжается и в наши дни, составляя одно из важнейших направлений физики и техники современности.

Основоположником теории физики низких температур стал дважды Герой Социалистического Труда Нобелевский лауреат акад. Петр Леонидович Капица (1894- 1984).

Окончив в 1918 году электромеханический факультет Петроградского политехнического института, Петр Леонидович начал свою научную работу в этом институте на кафедре основателя отечественной физической школы акад. А.Ф Иоффе (1880-1960).

В 1921 году П.Л.Капицу направили в научную командировку в Англию. Здесь он работал в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета под руководством прославленного Э. Резерфорда, а с 1924 по 1932 годы был его заместителем по лаборатории. Уже в те годы у П.Л.Капицы проявился характерный для него революционный подход к любой проблеме, за которую он брался, появились первые научные исследования в области явлений, протекающих в сильных магнитных полях и при низких температурах.

Крупные успехи П. Л. Капицы побудили Лондонское Королевское общество организовать в 1930 году специальную лабораторию для работы в области низких температур и в сильных магнитных полях, директором которой был назначен Петр Леонидович.

Вернувшись в 1934 году из Англии а Москву, он организовал Институт физических проблем, который был оснащен полученным из Англии оборудованием, включая и построенные П. Л. Капицей установки. С этого года и до последних дней жизни П. Л. Капица являлся бессменным директором вновь организованного института, вел интенсивную научную и общественную работу. П. Л. Капица был одним из инициаторов создания Московского физико-технического института – одного из ведущих и крупнейших в нашей стране высших учебных заведений.

Низкие температуры в 30-е годы начали получать с помощью жидкого гелия на специальных устройствах, работающих на основе эффекта Джоуля—Томсона, — используя охлаждение газа при его дросселировании, т. е. при пропускании газа через вентиль, создававшим большой перепад давления. Охлаждение газа в этой случае связано с его неидеальностью, и эффект Джоуля-Томсона приводит к охлаждению газа только тогда, когда его температура ниже так называемой температуры инверсии. Для гелия, например, температура инверсии составляет около 15 К, поэтому в ожижителях гелия, работающих на основе эффекта Джоуля - Томсона, необходимо иметь предварительную ступень охлаждения гелия жидким водородом, поскольку температура инверсии у водорода выше, чем у гелия (всего 100 К).

Рассмотрим несколько подробнее теоретические предпосылки указанного эффекта, возможности получения низких температур и сжижения газов (прежде всего гелия).

Пусть в адиабатном изолированном цилиндре (исключающем теплообмен с окружающей средой) находится идеальный газ. Этот газ через пористую перегородку пропускают из области а больший давлением p1 в область с меньшим давлением p2 (из-за трения в этой перегородке поток не испытывает завихрений, и газ по обе стороны от нее однороден). При таком расширении идеального газа с перепадом давлений (p1> p2) изменения температуры происходить не должно, так как в этом случае идеальный газ не совершает работы.

И все же никакого противоречия здесь нет. Ведь идеальный газ — газ, в котором энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией этих молекул, — существует лишь в нашем воображении. Естественно, если уж молекулы идеального газа не взаимодействовали друг с другом до расширения, то после расширения они не взаимодействуют и подавно (ведь расстояние между молекулами увеличилось еще больше).

Так как процесс адиабатный, то система не получает теплоты извне и не отдает ее через стенки цилиндра (Q = 0). Из первого начала термодинамики изменения температуры в идеальном газе не происходит.

Теперь поместим в цилиндр какой-либо реальный газ. В этом случае адиабатное расширение газа приведет к изменению температуры, так как реальные молекулы всегда взаимодействуют друг с другом и при расширении газа происходит изменение его внутренней энергии.

Это явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении и носит название эффекта Джоуля — Томсона.

Теория и практика показали, что для реальных газов:

• если силы взаимодействия между молекулами малы (водород, гелий и другие инертные газы), то газ нагревается;
• если силы взаимодействия между молекулами велики (большинство газов), то газ охлаждается.
• при некоторой температуре Ti реального газа, при его расширении он ведет себя как идеальный, т. е. не меняет своей температуры.

Эта температура и носит название температуры инверсии. При ней эффект Джоуля -Томсона меняет знак: ниже температуры инверсии (Ti) водород и гелий охлаждаются (положительный эффект), выше Ti — эти газы нагреваются (отрицательный эффект).

Подчеркнем еще раз: для того чтобы по методу Джоуля — Томсона охладить гелий и превратить его в жидкость, его температуру необходимо предварительно довести до значения, меньшего Ti, что и делают с помощью кипящего водорода.