Беседы о физике и технике

3. Физика и техника низких температур

В 1908 г. 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 г. 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).

РАССКАЖИТЕ ПОДРОБНЕЕ ОБ ЭТОМ УЧЕНОМ.

Окончив в 1918 г. 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 г. 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 г. 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 г. специальную лабораторию для работы в области низких температур и в сильных магнитных полях, директором которой был назначен Петр Леонидович.

Вернувшись в 1934 г. из Англии в 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.

КАК ПОЛУЧАЛИ НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕ ВРЕМЕНА?

Низкие температуры в 30-е годы начали получать с помощью жидкого гелия на специальных устройствах, работающих на основе эффекта Джоуля — Томсонау — используя охлаждение газа при его дросселировании, т. е. при пропускании газа через вентиль, создававшим большой перепад давления. Охлаждение газа в этом случае связано с его неидеальностыо, 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 (рис. 12).

Рис. 12. В адиабатно изолированном цилиндре газ пропускают через пористую перегородку из одной области в другую

Этот газ через пористую перегородку пропускают из области с большим давлением р₁ в область с меньшим давлением р₂ (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 (р₁ > р₂) изменения температуры происходить не должно, так как в этом случае идеальный газ не совершает работы.

НЕ МОЖЕТ БЫТЬ! ВЕДЬ ОБЪЕМ-ТО ИЗМЕНИЛСЯ ОТ V₁ ДО V₂, А РАБОТА ГАЗА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КАК W = рΔW?

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 Q = ΔU + W следует, что при Q = 0 W = 0, т. е. ΔU = C_VΔT = 0. Так как C_V не равно 0, то ΔT = 0, т. е. 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:

а) если силы взаимодействия между молекулами малы (водород, гелий и другие инертные газы), то газ нагревается (ΔТ > 0);

б) если силы взаимодействия между молекулами велики (большинство газов), то газ охлаждается (ΔТ < 0);

в) при некоторой температуре Т_i реального газа, при его расширении он ведет себя как идеальный, т. е. не меняет своей температуры (ΔT = 0). Эта температура и носит название температуры инверсии. При ней эффект Джоуля — Томсона меняет знак: ниже температуры инверсии (Т_i) водород и гелий охлаждаются (положительный эффект), выше Т_i — 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 Т_i, что и делают с помощью кипящего водорода.

Геометрическое место точек инверсии для данного вещества на диаграмме его состояния называют инверсионной или λ-кривой и температуру инверсии обычно называют λ-точкой.

ИНТЕРЕСНО, КАКИМИ СВОЙСТВАМИ ОБЛАДАЕТ ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ?

Исследования жидкого гелия при сверхнизких температурах обнаружили, что он не похож ни на какую другую жидкость.

В чем состоит эта непохожесть? Давайте сначала вспомним, какие общие свойства имеют жидкости, например вода.

Обратим внимание на так называемую фазовую диаграмму воды (рис. 13). На ней изображены три кривые, разделяющие три фазы (три состояния) воды. Кривые пересекаются в одной точке — так называемой тройной точке воды. В этой точке граничат сразу три фазы: твердая, жидкая и газообразная, и все три можно наблюдать одновременно.

Рис. 13. Диаграмма состояния воды

От тройной точки вправо и вверх идет кривая, показывающая зависимость давления насыщенных паров от температуры — линия жидкость — пар. Следовательно, если при заданной температуре давление р > р_нас, то мы имеем жидкость, при р < р_нас — газ.

При р = р_нас наблюдается расслоение фаз — внизу собирается вода, а над ней находится пар. При повышении температуры давление пара и его плотность растут, а плотность жидкости падает. В конце концов плотности пара и жидкости уравновесятся в так называемой критической точке при Т_кр и р_кр. Следовательно, как бы при Т > Т_кр ни сжимали газ, жидкость образоваться не может. При О °С вода замерзает и линия I (жидкость — пар) переходит в линию II — твердое тело (лед) — пар, а при Т > 0 °C переходит в линию III — твердое тело — жидкость, разграничивая эти фазы. При Т > Т_кр она разделяет области твердое тело — газ. Здесь нет критической точки, так как твердое тело существенно отличается от газа порядком, определяемым расположением атомов в кристаллической решетке.

Тройная точка есть у всех веществ. Если откачивать непрерывно пары жидкости, то температура ее будет падать и жидкость наконец затвердеет.

ВСЕ ЭТО ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО, НО ПРИЧЕМ ТУТ ГЕЛИЙ?

А притом, что гелий — это исключение: у него нет тройной точки. Если откачивать пары жидкого гелия, то обнаружится необычная картина. При атмосферном давлении и температуре 4,2 К жидкий гелий начинает кипеть. При дальнейшей откачке типичное кипение становится более интенсивным и вдруг при 2,17 К и давлении ~ 5∙10³ Па (40 мм рт. ст.) кипение внезапно прекращается. При дальнейшей откачке обнаруживается, что даже при температуре, отличающейся от Т = 0 К на несколько тысячных кельвина, получить твердый гелий не удается. Это означает, что у гелия тройной точки нет.

На диаграмме состояния гелия (рис. 14) найдем линию жидкость — пар и точку, в которой прекратилось кипение гелия (λ-точка).

Рис. 14. Диаграмма состояния гелия (по оси ординат для наглядности масштаб в верхней части рисунка сжат)

Исследования показали, что, несмотря на отсутствие у гелия тройной точки, твердый гелий все же существует.

Если к жидкому гелию приложить давление около 3 МПа (~ 30 атм), он кристаллизуется. Это обстоятельство и нашло отражение на диаграмме состояния в виде кривой жидкость — твердое тело, отделяющей твердую фазу гелия от жидкой.

Дальнейшие исследования выявили ряд замечательных свойств гелия, а также других веществ при сверхнизких температурах.

ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ С ГЕЛИЕМ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ НИЖЕ 2,17 К?

Оказывается, при температурах ниже 2,17 К жидкий гелий приобретает новые свойства — он становится единственной известной нам так называемой квантовой жидкостью. Принято говорить, что при этой температуре гелий I (обычный гелий) переходит в гелий II.

На диаграмме состояния область существования гелия I отделяется от области гелия II λ-линией. Все жидкости в отличие от гелия затвердевают задолго до того, как в них начнут проявляться квантовые свойства. Только гелий II остается жидким, как мы выяснили ранее, даже при температурах, близких к 0 К (как известно, температуры 0 К никакими способами достичь невозможно).

ПРИ ЭТИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ВОЗНИКАЕТ СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ГЕЛИЯ? ОБЪЯСНИТЕ ПОДРОБНЕЕ, ЧТО ЭТО ТАКОЕ.

Одним из замечательных свойств гелия II является его чрезвычайно высокая теплопроводность — намного выше меди и серебра — наиболее теплопроводных металлов. Это обстоятельство достоверно объясняет отсутствие пузырьков пара в гелии II при температурах ниже 2,17 К. Посмотрите на кипящую воду, и вы увидите движение пузырьков пара со дна сосуда. В кипящем сверхохлажденном гелии таких пузырьков нет.

Если теплопроводность жидкости очень высока, в ней невозможно создать разность температур на дне и у поверхности и испарение такой жидкости идет только с ее поверхности. Так и происходит в гелии II.

Исследуя причину такой высокой теплопроводности гелия II, П. Л. Капица установил, что причиной переноса тепловой энергии в нем является конвекция. Если это так, то тепловые потоки в гелии II должны распространяться с чрезвычайной легкостью. А это означает, что вязкость гелия II должна быть ничтожной (она оказалась меньшей, чем вязкость воды при комнатной температуре, в 10¹³ раз). Так, в 1937 г. академиком П.Л.Капицей было сделано фундаментальное открытие в области низких температур — явление, названное им сверхтекучестью.

А СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ СВЯЗАНА СО СВЕРХТЕКУЧЕСТЬЮ?

В 1912 г. Камерлинг-Оннесом было открыто явление сверхпроводимости металлов при температурах ниже Гкр гелия. Сверхпроводимость металлов была объяснена лишь в 1957 г.

После построения акад. Л.Д.Ландау (1908–1968) теории сверхтекучести (внешне явления сверхтекучести и сверхпроводимости очень похожи: и в том, и в другом случаях речь идет о потоке, на который трение не действует) сверхпроводимость можно было представить как сверхтекучесть электронного газа.

Усилиями многих отечественных и зарубежных ученых, в том числе акад. Н. Н. Боголюбова, предложившего новый метод в теории, природа сверхпроводимости полностью разъяснилась.

В 1962 г. Л.Д.Ландау за «пионерские теоретические работы по конденсированному состоянию, особенно жидкого гелия» была присуждена Нобелевская премия.

НАВЕРНОЕ, ДОСТИЖЕНИЕ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР — ЭТО САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА?

Итак, нам осталось выяснить, как в настоящее время осуществляется сжижение газа, в чем транспортируется такая жидкость и какое практическое техническое применение получила физика низких температур.

Как мы уже упоминали ранее, получить жидкий гелий можно в специальных машинах, работающих на эффекте Джоуля — Томсона с предварительным охлаждением гелия жидким водородом. Этот способ хотя внешне и прост, но не совсем удобен.

Если построить машину для получения жидкого воздуха (который в огромных количествах производит и потребляет промышленность), то нужно иметь фактически две машины: для водорода и для гелия, каждую со всем своим хозяйством — мощным компрессором, газовыми коммуникациями, хранилищем газов, средствами очистки газов от примесей. Кроме того, употребляемый в установке водород крайне опасен: при утечке из системы он, смешавшись с воздухом, образует гремучую смесь. Современные машины для сжижения газов работают без водорода. Для этого в компрессоре 1 (рис. 15) гелий предварительно сжимается, затем остывает (ведь при сжатии он нагревается) и направляется в цилиндр 3, где он, как пар в паровой машине, перемещает поршень. Это устройство в холодильной технике носит название детандера. Газ, расширяясь в детандере, охлаждается. Расчеты показывают: чтобы получить температуру 10 К, газ нужно предварительно сжать компрессором до 500 МПа (5 тыс. атм).

Рис. 15. Схема замкнутого цикла для охлаждения газа расширением в детандере:

_{1 — компрессор; 2 — охлаждение прямого потока до комнатной температуры; 3 — теплообменник; 4 — детандер}

Даже если мы хотим получить температуру, достаточную для сжижения воздуха (Т_кр = 132 К), то и тогда необходимо создать компрессором давление в сотни атмосфер, что для гелия не так просто. Для того чтобы уменьшить рабочее давление, в систему между компрессором и детандером вводят теплообменник 2 (схема машины приведена на рис. 15). Газ, поступая в детандер, охлаждается обратным потоком гелия, уже успевшего расшириться и охладиться. Поэтому процесс расширения начинается при более низкой температуре, а значит, и исходное давление может быть значительно меньшим.

Необходимо заметить, что в лабораториях и на заводах имеются машины, вырабатывающие сотни литров жидкости в час, но есть и очень маленькие, которые размещаются и работают на борту искусственных спутников и космических кораблей.

Стоимость литра сжиженного гелия исчисляется десятками копеек, что делает его доступным для любых физических лабораторий и промышленных предприятий.

Тот же эффект охлаждения за счет совершаемой газом внешней работы при адиабатном расширении был использован П. Л. Капицей в машине нового типа, предложенной им в 1935 г. для сжижения воздуха с целью промышленного получения кислорода. В этой машине газ совершал внешнюю работу, приводя во вращение высокоэффективную турбину (турбодетандер). В ней воздух предварительно сжимался в турбокомпрессоре всего до 0,4–0,5 МПа (4–5 атм), в то время как в поршневых машинах давление создавалось от 7 до 19 МПа.

Таким образом, в технике получения низких температур стал использоваться только цикл низкого давления, а это позволило стране сэкономить сотни миллионов рублей. Разработанный П. Л. Капицей турбодетандер с КПД 80–85 % предопределил развитие во всем мире современных крупных промышленных установок разделения воздуха для получения жидкого кислорода.

ИТАК, ЖИДКИЙ ГАЗ ПОЛУЧЕН И ВОЗНИКАЮТ ПРОБЛЕМЫ ЕГО ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ?

Задача хранения и транспортировки жидкого гелия также не является простой — ведь разность температур между комнатной и жидкостью составляет почти 300 К!

Оказалось, что ни сосуд Дьюара, ни какой-либо другой с пористой изоляцией непригодны, так как они не в состоянии создать необходимой преграды для теплообмена между гелием и окружающей средой.

Наиболее употребительными оказались металлические сосуды — криостаты. Как они устроены, видно из рис. 16.

Рис. 16. Схема устройства сосуда для хранения и транспортировки жидкого гелия:

_{1 — трубка для выхода испаряющегося гелия; 2 — отверстие для переливания жидкого гелия, закрытое пробкой; 3 — трубка для заливки жидкого азота; 4 — тонкостенные трубки из нержавеющей стали; 5 — штуцер вакуумной откачки; 6 — медные полированные сферы, каждая из которых спаяна из двух полусфер; 7 — адсорбент; 8 — трубки, соединяющие между собой вакуумные полости и одновременно служащие распорками}

Криостат очень похож на сосуд Дьюара, но между ними есть и различия. Полость между сосудом с гелием и внешней стенкой заполнена жидким азотом. Жидкий азот нужен для того, чтобы уменьшить испарение гелия, — именно азот, так как он не взрывоопасен и получение его из воздуха чрезвычайно дешево.

Емкости для гелия и азота выполнены из полированной меди, высокая теплопроводность которой компенсируется подвеской системы на тонкостенных трубках из нержавеющей стали — материала, плохо проводящего теплоту.

Чтобы вакуум в «рубашке» сохранялся длительное время, в вакуумных промежутках помещен адсорбент — поглотитель газов (обычно активированный уголь). Из такого криостата может испариться не более 100 см³ гелия в сутки.

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ЖИДКИЕ ГАЗЫ?

Получение жидкого гелия, кислорода и других веществ — важная задача холодильной промышленности, ведь эти вещества требуются современной науке и производству в огромных количествах.

Так, например, современные соленоиды из меди, создающие постоянные магнитные поля с индукцией 10–20 Тл, требуют для питания источники тока мощностью ~ 1 МВт — такой электростанции достаточно для освещения города с населением в несколько десятков тысяч жителей. Эти соленоиды имеют небольшой объем (всего десятки кубических метров), и если их не охлаждать, они могут расплавиться.

В последние годы получили широкое распространение сверхпроводящие сплавы для создания сверхпроводящих магнитов, позволяющих с очень малой затратой энергии получать сильные магнитные поля напряженностью до 8∙10⁷ А/м (100 кЭ).

В большом количестве жидкого кислорода нуждаются наша металлургия, космонавтика и другие области техники, а также различные научные лаборатории.

Следует особо отметить, что основой прогресса в экспериментальном исследовании металлов явилась возможность получения очень чистых металлов, длина свободного пробега электрона в которых достигает нескольких миллиметров. Таких чистых материалов все больше требуется для нашей промышленности. А их получение связано с физикой низких температур.

Интенсивное развитие науки и техники низких температур существенно поможет решению современных проблем научно-технического прогресса.