НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Почему нагреть тело довольно легко (зажгите спичку, и вы мгновенно получите температуру в 1000° С), а вот охладить — даже на 100—200 градусов довольно сложная техническая задача? Причина в том, что увеличение температуры приводит к усилению теплового хаотического движения, к увеличению беспорядка в системе. А именно в этом направлении самопроизвольно идут термодинамические процессы (см. Термодинамика). При охлаждении, напротив, приходится придумывать обходные пути, компенсировать уменьшение беспорядка другими способами.

Наиболее распространенный способ охладить систему — это теплоизолировать ее и заставить совершить работу. Например, газ в сосуде с поршнем, расширяясь, совершает работу, и если его теплоизолировать, то по закону сохранения энергии внутренняя энергия и соответственно температура газа уменьшаются. При этом и закон возрастания энтропии, конечно, не нарушается, так как степень беспорядка (энтропия) зависит не только от температуры, но и от объема системы. Такой способ охлаждения называют детандерным (детандер — сосуд с поршнем), и он в усовершенствованном виде нашел самое широкое распространение в современной технике получения низких температур.

Для охлаждения тел до низких температур обычно используют сжиженные газы. Ведь если тело поместить в такую жидкость, то увеличится только интенсивность кипения, а температура жидкости останется неизменной, пока она вся не выкипит.

Многие сжиженные газы имеют очень низкие температуры кипения. Сжижение кислорода впервые осуществил в 1877 г. французский инженер Л. Кальетё и тем самым сумел достичь температуры —183°С (температура кипения кислорода при нормальном давлении), а в начале 1878 г. он сжижил азот (—196° С). В этом же году швейцарскому ученому Р. Пикте удалось сжижить воздух, используя метод каскадного охлаждения (жидкость, полученную после сжижения одного газа, можно затем использовать для сжижения следующего с более низкой температурой кипения и т. д.).

Следующий участок пути к абсолютному нулю преодолел английский ученый Дж. Дьюар. Низкую температуру надо не только создать, но и удержать. Для хранения жидких газов он придумал так называемый сосуд Дьюара. Термос, которым все привыкли пользоваться,— это типичный сосуд Дьюара. Теплоизоляция осуществляется за счет вакуума между стеклянными стенками. Дьюар предложил свою конструкцию в 1892 г., и она была столь хороша, что осталась почти неизменной до наших дней. В 1898 г. Дьюар получил жидкий водород с температурой кипения —252,6°С. Еще более низкую температуру кипения имеет жидкий гелий —268,8°С. Его впервые получил нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес.

Исследования при низких температурах — очень важный раздел физики. Дело в том, что таким образом можно избавиться от помех, связанных с хаотическим тепловым движением, и изучать явления в «чистом» виде. Особенно важно это при исследовании квантовых закономерностей (см. Квантовая механика). Обычно из-за хаотического теплового движения происходит усреднение физической величины по большому числу ее различных значений и квантовые скачки «замазываются». Однако при низких температурах становится возможным наблюдать макроскопические квантовые явления — сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Очень низкие температуры получают с помощью магнитного охлаждения. Для этого используют парамагнитные соли, молекулы которых, подобно маленьким магнитикам, обладают магнитными моментами. Эти моменты ориентированы хаотично, но во внешнем поле они выстраиваются вдоль его направления. Поэтому, выключая поле, можно увеличить беспорядок в системе и, теплоизолировав систему, добиться уменьшения температуры. Таким способом удается получить температуру, всего на стотысячную долю градуса отличающуюся от абсолютного нуля.

Сейчас имеются и другие способы получения сверхнизких температур. Отметим, что и само значение абсолютного нуля по шкале Цельсия тоже уточнилось. Это —273,15° С.