Зрідження газів та отримання низьких температур

У § 8.3 було показано, що зрідження газу шляхом ізотермного зменшення його об’єму можливе лише за умови, що температура газу нижча від критичної. Тому завдання зрідження газів безпосередньо пов’язано з розробкою методів їх суттєвого охолодження, тобто досягнення низьких температур. Розглянемо деякі з цих методів:

1. Відомо, що для підтримання кипіння рідини їй необхідно надавати теплоту. Тому рідини при кипінні здатні охолоджувати тіла, що перебувають з ними у тепловому контакті. Цим явищем скористався швейцарський фізик Р. Пікте для отримання низьких температур. Спочатку газ, критична температура якого нижча від кімнатної (наприклад, аміак), зріджують шляхом ізотермного стискання. Потім зменшують тиск і рідина закипає. Теплоту, необхідну для підтримки кипіння, надає інший газ, критична температура якого вища від температури кипіння першого але нижча від власної кричної температури. У цьому випадку інший газ охолоджується до рівня, нижчого від його критичної температури. При ізотермному стисканні він може бути зрідженим. Аналогічно роблять надалі, поступово зріджуючи один газ за іншим. Однак у зв’язку з відсутністю газів з необхідними критичними температурами цей метод не дає можливості отримати температуру, нижчу 63 К.

2. Метод Дьюара–Лінде заснований на використанні позитивного ефекту Джоуля–Томсона. Газ, доведений до високого тиску і охолоджений до кімнатної температури, поступає трубопроводом 1 у теплообмінник А (рис. 8.6). У вентилі В газ адіабатно дроселюють до тиску, близького за величиною до атмосферного. При цьому він охолоджується. Якщо зниження температури недостатнє для зрідження газу, то його трубопроводом 2 повертають до теплообмінника А, де він охолоджує нові порції стисненого газу і виштовхується через трубопровід 3. Таким чином, поступово знижується температура газу за вентилем В аж доти, доки він не почне зріджуватися. Зріджений газ накопичується у посудині С.

3. Третій метод заснований на охолодженні газу при виконанні ним корисної роботи розширення в адіабатному процесі. Холодильні машини, що працюють за цим принципом, називають детандерами. За своєю конструкцією вони поділяються на поршневі та турбінні. В перших газ розширюється в циліндрі з рухомим поршнем, в других – в турбіні. Турбодетандери, в розробку яких зробив значний внесок П. Капиця, є найбільш продуктивними, економними та компактними типами холодильних машин.

4. Шляхом інтенсивного випаровування гелію вдалося отримати температуру 0,7 К. На сьогодні існують методи отримання ще більш низьких температур. Однак їх розгляд виходить за межі нашого курсу.

При низьких температурах суттєво змінюються властивості деяких речовин. Наприклад, гума стає крихкою як скло, а свинець – пружним. Охолоджені в рідкому кисні парафін, яєчна шкарлупа, деякі барвники та інші речовини після опромінення їх ультрафіолетовими променями починають світитися. При температурах в кілька градусів за шкалою Кельвіна питомі опори деяких металів та сплавів стають надзвичайно малими. Це явище дістало назву надпровідності. Воно розглядається „фізикою твердого тіла”.