Как получить сверхнизкую температуру?
Итак, водород становится жидким при немыслимо низкой температуре: минус 253 градуса. А другие газы?
Как мы с тобой и ожидали, все они не такие упорные (кроме одного, о котором мы ещё поговорим). К тому времени, когда молекулы водорода только начинают слипаться в капельки, другие газы мало того что давно уже превратились в жидкости - эти жидкости успели даже замёрзнуть, то есть стать твёрдыми. Скажем, кислород превращается в жидкость при температуре «всего лишь» минус 183 градуса, а при минус 219 градусах, когда водороду ещё довольно далеко до жидкости, кислород уже становится твёрдым.
А кто же тот упрямый газ, которому удалось переупрямить даже водород? Это гелий - самый лёгкий после водорода газ и самый, наверное, удивительный. Атомы гелия, в отличие от атомов водорода, ужасно необщительны. До сих пор химикам так и не удалось «уговорить» атомы гелия соединиться с другими атомами. Да что там другие, когда атомы гелия и со своими-то знаться не желают! Вот почему атомы гелия не соединяются в пары, как атомы водорода, кислорода, азота, а так и живут в одиночку.
Слипаться в капельки жидкости атомы-одиночки гелия тоже не торопятся. Суди сам: один-единственный атом гелия вдвое массивнее целой двухатомной молекулы водорода, и поэтому при одной и той же температуре атомы гелия летают, конечно, медленнее, чем молекулы водорода. Но, несмотря на это, атомы гелия начинают слипаться в капельки при ещё более низкой температуре, чем молекулы водорода, - минус 269 градусов!
Раз уж мы занялись сверхнизкими температурами, то поневоле возникает вопрос: а какая температура самая низкая на свете?
На этот вопрос, я уверен, ты теперь сумеешь ответить сам. «Теплота - это беспорядочное движение атомов и молекул, - скажешь ты. - Чем медленнее они движутся, тем ниже температура. Значит, когда беспорядочное тепловое движение атомов и молекул полностью прекратится, тогда и будет самая низкая температура. Ниже просто некуда!»
Ты совершенно прав. Когда же это произойдёт? Температуру, при которой тепловое движение атомов и молекул должно полностью прекратиться, учёные вычислили ещё в прошлом веке: минус 273 градуса. Эту температуру, ниже которой в природе нет и быть не может, называют абсолютным нулём температуры.
Значит, любая температура, даже очень-очень низкая, всё-таки выше абсолютного нуля. Ты легко сообразишь, например, что температура, при которой водород превращается в жидкость (то есть минус 253 градуса), на 20 градусов выше абсолютного нуля (минус 273 градуса). И даже совсем уже сверхнизкая температура, при которой жидким становится гелий (минус 269 градусов), всё-таки выше абсолютного нуля, хотя и всего-навсего на 4 градуса.
Кстати, из этих цифр видно, что, имея дело с жидким водородом, жидким гелием и вообще со сверхнизкими температурами, удобнее отсчитывать температуру вверх от абсолютного нуля, а не вниз от того нуля, которым мы обычно пользуемся в повседневной жизни (этим нулём, как ты, наверное, знаешь, условились называть температуру, при которой тает лёд).
Но тебя-то, конечно, в первую очередь интересует не от какого нуля отсчитывать температуру сжижения водорода, а как эту температуру получить. Мы с тобой уже выяснили, что в природе её взять неоткуда - во всяком случае, у нас, на Земле. Значит, охладить водород «снаружи» ты не сможешь. Прямо какое-то безвыходное положение...
Но безвыходных положений в технике не бывает. Мне кажется даже: то, что водород так упорно сопротивляется твоему желанию превратить его в жидкость, должно тебя только раззадорить. Давай-ка ещё раз подумаем как следует над твоей технической задачей.
Значит, так. Ты хочешь получить температуру 253 градуса ниже привычного нуля или, что то же самое, 20 градусов выше абсолютного нуля. Причём сверхнизкая температура нужна тебе не сама по себе, а лишь для того, чтобы молекулы водорода стали вялыми, чтобы они не мчались, как пули, а летали бы, как сонные мухи. Тогда, сталкиваясь, они не будут отскакивать друг от друга, словно мячики, а начнут слипаться в капельки. И добиться этого ты должен, не охлаждая водород снаружи, потому что взять такой холод попросту негде.
Но если не охлаждать водород чем-то очень холодным, как же понизить его температуру? Сам собой он, что ли, охладится? Чепуха какая-то получается - вроде холодильника без морозильной камеры...
Когда техническая задача кажется неразрешимой, бывает иногда полезно «перевернуть» задачу и решать её «наоборот» - поставить её, так сказать, с ног на голову. Попробуем и мы поставить твою задачу с ног на голову. Быть может, когда она окажется в таком необычном положении, тебе удастся разглядеть в ней что-то такое, что подскажет правильное решение?
Итак, допустим, что ты хочешь не понизить температуру газа, замедлив тем самым беспорядочное движение его молекул, а наоборот - повысить температуру газа, ускорив тепловое движение молекул. Возможно ли добиться этого, не нагревая газ снаружи, то есть не заставляя газ соприкасаться с чем-то горячим? В том числе, конечно, и с пламенем...
Не только возможно - ты сам это проделывал десятки раз собственными руками! Накачивая насосом велосипедную шину или камеру футбольного мяча, ты, вероятно, обратил внимание, что воздух в насосе, когда сжимаешь его поршнем, нагревается. Значит, и скорость его молекул увеличивается. А ведь ты не держал насос над пламенем кухонной горелки или над электроплиткой, не опускал в горячую воду и внутрь насоса не вносил ничего горячего - словом, не подводил к воздуху в насосе никакого тепла снаружи. Что же, молекулы вдруг сами по себе стали летать быстрее? Ни с того ни с сего? Конечно нет!
Почему же молекулы воздуха в насосе начинают летать быстрее, когда ты вдвигаешь поршень? Ты сам легко объяснишь это, если представишь себе, что происходит внутри насоса...
В отличие от бензинового мотора дизель обходится без электрического зажигания: вспрыснутое в цилиндр топливо воспламеняется от нагревшегося при сжатии воздуха.
Вот как, наверное, ты станешь рассуждать: «Если молекула налетает на неподвижную стенку или на донышко насоса, она, отскочив, летит в новом направлении с той же самой скоростью, что и до удара. Точь-в-точь как бильярдный шар, который стукнулся о борт бильярда!
Но если на тот же бильярд положить поперёк доску и двигать её навстречу катящемуся шару, то он, стукнувшись о доску и отскочив, покатится обратно уже с большей скоростью, потому что к прежней скорости шара добавится скорость доски. То есть, проще говоря, доска подтолкнёт шар.
Вот и поршень подталкивает налетевшую на него молекулу - обратно она летит уже с большей скоростью. Добавка к прежней скорости получается, конечно, очень маленькая, ведь поршень движется гораздо медленнее молекулы. Но за то время, пока я вдвигаю поршень, каждая из молекул успевает налететь на него миллиарды раз и всякий раз получает маленькую добавку в скорости. И в конце концов скорость молекул возрастает уже заметно. А раз быстрее начинают летать молекулы воздуха, значит повышается его температура».
Что ж, вполне разумное объяснение.
Но вот ты отпустил рукоятку насоса... Молекулы сжатого воздуха по-прежнему беспорядочно мечутся, налетая друг на друга и непрерывно барабаня по стенкам насоса, по донышку и поршню. Стенки и донышко, разумеется, остаются на месте, а поршень, который ты больше не вдвигаешь и даже не удерживаешь, двинулся обратно. Сжатый воздух, подобно сжатой пружине, начал разжиматься...
Само собой, одной молекуле, даже самой энергичной, сдвинуть поршень не под силу. И тысяче не под силу, и миллиону. Но когда на поршень налетают миллиарды миллиардов молекул, а за ними ещё, и ещё, и ещё, он в конце концов сдвигается с места и «едет». Можно сказать и так: сжатый воздух, расширяясь, толкает поршень. Изменяется ли при этом скорость молекул?
Посмотрим сначала, что произойдёт на твоём бильярде, на который ты положил поперёк доску, если не двигать её навстречу катящемуся шару, а оставить лежать спокойно. Однако спокойно лежать ей придётся недолго: докатившись до доски, шар толкнёт её, а сам отскочит от доски и покатится обратно... С какой скоростью? «Конечно, с меньшей, - ответишь ты. - Ведь для шара сдвинуть доску - нелёгкая работа. Самый быстрый, самый энергичный шар - и тот обязательно вынужден будет затратить на эту работу часть своей энергии и, значит, потеряет часть своей скорости». Но тем более крошечные, хотя и энергичные молекулы, налетая на поршень и толкая его, должны терять часть своей энергии и скорости!
Этот рисунок поможет тебе понять, что произойдёт с молекулами газа, если его сжать поршнем, а затем дать сжатому газу возможность расшириться...
Выходит, если сжать газ, а потом дать ему возможность расшириться, но за это заставить его выполнить какую-нибудь тяжёлую работу - толкать поршень или крутить турбинку (её лопатки молекулам тоже ведь приходится толкать), то обессиленные молекулы газа станут летать медленнее. И газ охладится, можно сказать, сам собой - без всякого наружного холода. Как раз то, чего ты хотел добиться...
Всё это так, но смотри, что получается. Ты работаешь с газом в комнате, и у газа, естественно, комнатная температура И вот ты сжал газ - он нагрелся. Потом дал ему расшириться, заставив проделать работу, - и газ охладился. Нагрелся - охладился, а в результате какая была у газа температура до того, как его стали сжимать, такая и осталась. То есть та же самая комнатная температура. Какой-то заколдованный круг! Ну, из этого-то круга, если подумать, выход совсем простой, и ты его наверняка уже нашёл. «Зачем же сразу давать расширяться нагретому сжатому газу? - скажешь ты. - Его надо сначала остудить до прежней температуры, пока он ещё сжатый. Уж до комнатной-то температуры его нетрудно остудить и снаружи - хотя бы обычной водой из-под крана. Это же не сверхнизкая температура, которую негде взять. Вот когда такой сжатый и остуженный до прежней температуры газ расширится, толкая поршень, тогда он охладится ещё сильнее, и температура его станет гораздо ниже, чем обычная комнатная».
Очень хорошая идея. И мы с тобой немедленно воспользуемся ею, чтобы сконструировать машину для сжижения водорода.
Константиновский М. Холодно... Теплее... Горячо!
Как мы с тобой и ожидали, все они не такие упорные (кроме одного, о котором мы ещё поговорим). К тому времени, когда молекулы водорода только начинают слипаться в капельки, другие газы мало того что давно уже превратились в жидкости - эти жидкости успели даже замёрзнуть, то есть стать твёрдыми. Скажем, кислород превращается в жидкость при температуре «всего лишь» минус 183 градуса, а при минус 219 градусах, когда водороду ещё довольно далеко до жидкости, кислород уже становится твёрдым.
А кто же тот упрямый газ, которому удалось переупрямить даже водород? Это гелий - самый лёгкий после водорода газ и самый, наверное, удивительный. Атомы гелия, в отличие от атомов водорода, ужасно необщительны. До сих пор химикам так и не удалось «уговорить» атомы гелия соединиться с другими атомами. Да что там другие, когда атомы гелия и со своими-то знаться не желают! Вот почему атомы гелия не соединяются в пары, как атомы водорода, кислорода, азота, а так и живут в одиночку.
Слипаться в капельки жидкости атомы-одиночки гелия тоже не торопятся. Суди сам: один-единственный атом гелия вдвое массивнее целой двухатомной молекулы водорода, и поэтому при одной и той же температуре атомы гелия летают, конечно, медленнее, чем молекулы водорода. Но, несмотря на это, атомы гелия начинают слипаться в капельки при ещё более низкой температуре, чем молекулы водорода, - минус 269 градусов!
Раз уж мы занялись сверхнизкими температурами, то поневоле возникает вопрос: а какая температура самая низкая на свете?
На этот вопрос, я уверен, ты теперь сумеешь ответить сам. «Теплота - это беспорядочное движение атомов и молекул, - скажешь ты. - Чем медленнее они движутся, тем ниже температура. Значит, когда беспорядочное тепловое движение атомов и молекул полностью прекратится, тогда и будет самая низкая температура. Ниже просто некуда!»
Ты совершенно прав. Когда же это произойдёт? Температуру, при которой тепловое движение атомов и молекул должно полностью прекратиться, учёные вычислили ещё в прошлом веке: минус 273 градуса. Эту температуру, ниже которой в природе нет и быть не может, называют абсолютным нулём температуры.
Значит, любая температура, даже очень-очень низкая, всё-таки выше абсолютного нуля. Ты легко сообразишь, например, что температура, при которой водород превращается в жидкость (то есть минус 253 градуса), на 20 градусов выше абсолютного нуля (минус 273 градуса). И даже совсем уже сверхнизкая температура, при которой жидким становится гелий (минус 269 градусов), всё-таки выше абсолютного нуля, хотя и всего-навсего на 4 градуса.
Кстати, из этих цифр видно, что, имея дело с жидким водородом, жидким гелием и вообще со сверхнизкими температурами, удобнее отсчитывать температуру вверх от абсолютного нуля, а не вниз от того нуля, которым мы обычно пользуемся в повседневной жизни (этим нулём, как ты, наверное, знаешь, условились называть температуру, при которой тает лёд).
Но тебя-то, конечно, в первую очередь интересует не от какого нуля отсчитывать температуру сжижения водорода, а как эту температуру получить. Мы с тобой уже выяснили, что в природе её взять неоткуда - во всяком случае, у нас, на Земле. Значит, охладить водород «снаружи» ты не сможешь. Прямо какое-то безвыходное положение...
Но безвыходных положений в технике не бывает. Мне кажется даже: то, что водород так упорно сопротивляется твоему желанию превратить его в жидкость, должно тебя только раззадорить. Давай-ка ещё раз подумаем как следует над твоей технической задачей.
Значит, так. Ты хочешь получить температуру 253 градуса ниже привычного нуля или, что то же самое, 20 градусов выше абсолютного нуля. Причём сверхнизкая температура нужна тебе не сама по себе, а лишь для того, чтобы молекулы водорода стали вялыми, чтобы они не мчались, как пули, а летали бы, как сонные мухи. Тогда, сталкиваясь, они не будут отскакивать друг от друга, словно мячики, а начнут слипаться в капельки. И добиться этого ты должен, не охлаждая водород снаружи, потому что взять такой холод попросту негде.
Но если не охлаждать водород чем-то очень холодным, как же понизить его температуру? Сам собой он, что ли, охладится? Чепуха какая-то получается - вроде холодильника без морозильной камеры...
Когда техническая задача кажется неразрешимой, бывает иногда полезно «перевернуть» задачу и решать её «наоборот» - поставить её, так сказать, с ног на голову. Попробуем и мы поставить твою задачу с ног на голову. Быть может, когда она окажется в таком необычном положении, тебе удастся разглядеть в ней что-то такое, что подскажет правильное решение?
Итак, допустим, что ты хочешь не понизить температуру газа, замедлив тем самым беспорядочное движение его молекул, а наоборот - повысить температуру газа, ускорив тепловое движение молекул. Возможно ли добиться этого, не нагревая газ снаружи, то есть не заставляя газ соприкасаться с чем-то горячим? В том числе, конечно, и с пламенем...
Не только возможно - ты сам это проделывал десятки раз собственными руками! Накачивая насосом велосипедную шину или камеру футбольного мяча, ты, вероятно, обратил внимание, что воздух в насосе, когда сжимаешь его поршнем, нагревается. Значит, и скорость его молекул увеличивается. А ведь ты не держал насос над пламенем кухонной горелки или над электроплиткой, не опускал в горячую воду и внутрь насоса не вносил ничего горячего - словом, не подводил к воздуху в насосе никакого тепла снаружи. Что же, молекулы вдруг сами по себе стали летать быстрее? Ни с того ни с сего? Конечно нет!
Почему же молекулы воздуха в насосе начинают летать быстрее, когда ты вдвигаешь поршень? Ты сам легко объяснишь это, если представишь себе, что происходит внутри насоса...
В отличие от бензинового мотора дизель обходится без электрического зажигания: вспрыснутое в цилиндр топливо воспламеняется от нагревшегося при сжатии воздуха.
Вот как, наверное, ты станешь рассуждать: «Если молекула налетает на неподвижную стенку или на донышко насоса, она, отскочив, летит в новом направлении с той же самой скоростью, что и до удара. Точь-в-точь как бильярдный шар, который стукнулся о борт бильярда!
Но если на тот же бильярд положить поперёк доску и двигать её навстречу катящемуся шару, то он, стукнувшись о доску и отскочив, покатится обратно уже с большей скоростью, потому что к прежней скорости шара добавится скорость доски. То есть, проще говоря, доска подтолкнёт шар.
Вот и поршень подталкивает налетевшую на него молекулу - обратно она летит уже с большей скоростью. Добавка к прежней скорости получается, конечно, очень маленькая, ведь поршень движется гораздо медленнее молекулы. Но за то время, пока я вдвигаю поршень, каждая из молекул успевает налететь на него миллиарды раз и всякий раз получает маленькую добавку в скорости. И в конце концов скорость молекул возрастает уже заметно. А раз быстрее начинают летать молекулы воздуха, значит повышается его температура».
Что ж, вполне разумное объяснение.
Но вот ты отпустил рукоятку насоса... Молекулы сжатого воздуха по-прежнему беспорядочно мечутся, налетая друг на друга и непрерывно барабаня по стенкам насоса, по донышку и поршню. Стенки и донышко, разумеется, остаются на месте, а поршень, который ты больше не вдвигаешь и даже не удерживаешь, двинулся обратно. Сжатый воздух, подобно сжатой пружине, начал разжиматься...
Само собой, одной молекуле, даже самой энергичной, сдвинуть поршень не под силу. И тысяче не под силу, и миллиону. Но когда на поршень налетают миллиарды миллиардов молекул, а за ними ещё, и ещё, и ещё, он в конце концов сдвигается с места и «едет». Можно сказать и так: сжатый воздух, расширяясь, толкает поршень. Изменяется ли при этом скорость молекул?
Посмотрим сначала, что произойдёт на твоём бильярде, на который ты положил поперёк доску, если не двигать её навстречу катящемуся шару, а оставить лежать спокойно. Однако спокойно лежать ей придётся недолго: докатившись до доски, шар толкнёт её, а сам отскочит от доски и покатится обратно... С какой скоростью? «Конечно, с меньшей, - ответишь ты. - Ведь для шара сдвинуть доску - нелёгкая работа. Самый быстрый, самый энергичный шар - и тот обязательно вынужден будет затратить на эту работу часть своей энергии и, значит, потеряет часть своей скорости». Но тем более крошечные, хотя и энергичные молекулы, налетая на поршень и толкая его, должны терять часть своей энергии и скорости!
Этот рисунок поможет тебе понять, что произойдёт с молекулами газа, если его сжать поршнем, а затем дать сжатому газу возможность расшириться...
Выходит, если сжать газ, а потом дать ему возможность расшириться, но за это заставить его выполнить какую-нибудь тяжёлую работу - толкать поршень или крутить турбинку (её лопатки молекулам тоже ведь приходится толкать), то обессиленные молекулы газа станут летать медленнее. И газ охладится, можно сказать, сам собой - без всякого наружного холода. Как раз то, чего ты хотел добиться...
Всё это так, но смотри, что получается. Ты работаешь с газом в комнате, и у газа, естественно, комнатная температура И вот ты сжал газ - он нагрелся. Потом дал ему расшириться, заставив проделать работу, - и газ охладился. Нагрелся - охладился, а в результате какая была у газа температура до того, как его стали сжимать, такая и осталась. То есть та же самая комнатная температура. Какой-то заколдованный круг! Ну, из этого-то круга, если подумать, выход совсем простой, и ты его наверняка уже нашёл. «Зачем же сразу давать расширяться нагретому сжатому газу? - скажешь ты. - Его надо сначала остудить до прежней температуры, пока он ещё сжатый. Уж до комнатной-то температуры его нетрудно остудить и снаружи - хотя бы обычной водой из-под крана. Это же не сверхнизкая температура, которую негде взять. Вот когда такой сжатый и остуженный до прежней температуры газ расширится, толкая поршень, тогда он охладится ещё сильнее, и температура его станет гораздо ниже, чем обычная комнатная».
Очень хорошая идея. И мы с тобой немедленно воспользуемся ею, чтобы сконструировать машину для сжижения водорода.
Константиновский М. Холодно... Теплее... Горячо!