Вблизи абсолютного нуля

Когда тепло, а когда холодно

Мир, окружающий нас, бесконечный и разнообразный. Чего только здесь нет: звезды, воздух, солнце, камни, вода, дома, машины, самолеты, всевозможные предметы нашего быта, одежды…

Можно перечислять целыми часами, вспоминать тысячи названий.

А вот физики разбили все, что нас окружает, на три категории: твердые тела, жидкости, газы. И все предметы разошлись, все оказались на своих местах.

Правда, как мы сейчас увидим, тела часто перескакивают из одной такой категории в другую. И даже весьма успешно. Но это как раз связано с нашим путешествием по шкале температур.

Чем отличаются эти три состояния веществ?

Твердое тело сохраняет свой вид, свою форму. Куда бы мы ни перенесли кирпич, он кирпичом и останется. Разве только разбить его. Но и каждый осколок кирпича останется твердым телом.

А вот жидкость займет любой сосуд. Форма ее будет в точности совпадать с формой этого пристанища. Если вылить ее, скажем, на пол, то жидкость растечется по полу, заползет в щели. И не соберешь ее.

Что касается газов, то с ними дело обстоит еще хуже. Тут о форме уже говорить нельзя, жидкость легко перелить из одного сосуда в другой. Но объем свой жидкость сохраняет, что бы вы с ней ни делали.

А вот газ мгновенно распространится в любом помещении.

Твердые тела, жидкости и газы легко отличить друг от друга. Не спутаешь. Правда, есть вар, гудрон и еще кое-какие липучие, вязкие вещества, которые часто зовут переохлажденными жидкостями. Потому что, с одной стороны, они выглядят как твердые тела. А с другой стороны, понемногу растекаются, как очень густая жидкость.

Но в большинстве случаев газ с жидкостью или твердым телом спутать трудно.

Всегда ли газ остается газом, жидкость — жидкостью, а твердое тело — твердым телом? Оставили на ночь в блюдечке воду. А утром ее уже почти не осталось. Мы знаем, что вода не меняет своего объема. Куда же она делась? Испарилась, — отвечают вам.

Еще быстрее исчезают духи из флакона, который мы забыли закрыть. Расходятся они по всей комнате, мы чувствуем их аромат: вместо жидкости появляется газ и смешивается с воздухом комнаты. И вода из блюдечка тоже начала новую жизнь. Теперь она уже не жидкость, а газ — водяной пар.

Воду и духи мы видели. А газы обычно бесцветны. Разлетелись частички бывшей жидкости по комнате, превратились в невидимок. Хорошо, что некоторые невидимки пахнут. Так мы их и обнаружили. А водяные пары, пока их мало, никак о себе знать не дают.

Часто из твердых тел получаются жидкости. По сути дела это чудесное превращение, а мы даже внимания не обращаем на подобные чудеса. Подумаешь, невидаль — снег растаял! А между тем произошло нечто необыкновенное. Вместо твердого снега или льда появилась жидкость — вода. Но никого это не удивляет. Мы просто привыкли к этому. А представьте себе, что подобные «переодевания» стали бы проделывать обычные предметы вашей комнаты — стол, стул, книги! Это было бы настоящим чудом. А тающий лед никого не удивляет!

Зимой, наоборот, вода превращается в лед — твердое тело. Жидкости всегда испаряются, частички жидкости становятся невидимым газом. А могут ли они совершить обратный переход? Почему же нет! Утром на траве появляется роса, в воздухе туман — это водяной пар превращается в воду. То же самое происходит в бане. На стенах висят капельки воды. Откуда берется эта вода? Конечно, из воздуха.

В банном воздухе много водяных паров. И они могут превращаться в воду — конденсироваться. Видите, сколько удивительных превращений все время происходит вокруг нас.

Теперь нам надо остановиться и привести в порядок наши первые сведения о тепле и холоде. Ведь три, состояния вещества и переходы из одного состояния в другое тоже являются мерой тепла и холода.

Твердое тело может стать жидкостью. Это называется плавлением. Жидкость превращается в твердое тело — затвердевает. Из жидкости появляется газ — жидкость испаряется. Или если все это происходит быстро и при определенной температуре, то говорят, что жидкость кипит. Обратное явление, когда из невидимого бесцветного газа появляются капельки жидкости, — конденсация.

Почему же это происходит? Когда, например, вода остается водой, а когда становится льдом?

На этот вопрос, без сомнения, ответит любой из наших читателей.

Ниже нуля градусов вода твердая, между нулем и ста градусами Цельсия — жидкая. Сильней ее нагреют — нет ни льда, ни воды: сосуд наполняет бесцветный газ.

Если мы понаблюдаем за другими веществами, то и там увидим то же самое. И сделаем вывод: для каждого вещества есть своя температура кипения и плавления. Правда, немного смешно говорить, скажем, о плавлении воздуха, который мы привыкли видеть газообразным, или о кипении железа. Но это происходит лишь потому, что мы живем при определенных температурах. И, конечно, привыкли видеть вещества, какими они при этих температурах выглядят. Но ведь в мире не везде так.

Звездные температуры порой достигают миллионов градусов, в межпланетном пространстве свирепствует космический холод — двести с лишним градусов ниже нуля.

Так что условия там будут разные. И вещества будут вести себя совсем по-разному. При температурах космических большинство газов станет твердыми телами. Что касается звезд, то там ни одно вещество не удержится в твердом состоянии. И железо станет газом, и самый крепкий камень, и алмаз, и сталь. Даже и не газом, а еще одним, четвертым состоянием вещества — плазмой. Но об этом мы поговорим несколько позже.

Нас с вами интересует не космическая жара, а космический холод. Температуры космического пространства недалеки уже от абсолютного нуля, который мы собираемся обследовать. Только пространство это пустое — там почти нет вещества.

А мы хотим узнать, как поведут себя в столь необычных условиях самые обычные, известные всем вещества.

Но прежде чем познакомиться поближе с чудесами сверххолода, прежде чем на страницах книги приступить к охлаждению веществ, нам придется пристально посмотреть на них, выяснить, как они устроены, из чего состоят. Лишь когда мы это все узнаем, нам станет ясно, как подобраться как можно ближе к абсолютному нулю.

В свое время науке понадобилось для этого много десятков лет.

Некоторые загадки абсолютного нуля и сверхнизких температур не решены и до сих пор.

Итак, несколько слов о строении вещества.