Вблизи абсолютного нуля

Хлопотливая «жизнь» молекул газа

Про абсолютный нуль ученые узнали, когда стали изучать поведение газов. С другой стороны, газы, так сказать, объект всей техники сверхнизких температур. И все время, пока мы будем заниматься сверххолодом, нам придется общаться с газами. Правда, многие из них быстро меняют свой облик, становятся жидкостями. И наше продвижение к абсолютному нулю мы и будем отмечать тем, что газов останется все меньше и меньше.

Вот, например, воздух. В нем есть углекислый газ, азот, кислород, пять инертных газов. Но стоит его охладить — и углекислый газ выпал твердым осадком. Потом ушел кислород, за ним азот, другие газы.

Только морозоустойчивый гелий — один из инертных газов воздуха — держится до последнего.

Лишь в самых близких покоях Владыки Сверххолода сдался и он. Ни одного газа в мире больше нет! Ледяное безмолвие!

Давайте познакомимся с газами поближе. Пока что пусть они живут в наших обычных земных условиях. И ведут себя, как полагается газам, совсем не подозревая, какая участь им в дальнейшем уготована.

У молекул есть свой свод законов. Мы с ним ознакомились. Но когда они составляют газ, появляются новые законы, действующие лишь для газа. Поскольку нас интересуют газы и мы собираемся с ними долго общаться, выясним, какие это законы. Это тем более интересно, что с помощью одного из них мы в точности определим значение абсолютного нуля — таинственное, на первый взгляд, ничего не выражающее число «минус двести семьдесят три».

Молекулы газа свободны, как ветер. Это мы уже знаем. Их ничто не удерживает вместе. Они мчатся с громадными скоростями, сталкиваясь друг с другом, натыкаясь на стенки сосуда, в котором находится газ. Если сосуд раскрыть, то газ мгновенно покинет его, молекулы разлетятся во все стороны, осваивая новое помещение.

Газ состоит из молекул. И хотя каждая молекула живет своей собственной отдельной жизнью, хотя все они «думают», что никакого отношения друг к другу не имеют, это неверно. Свойства газа как раз и зависят от того, как ведут себя все его молекулы, вместе взятые.

Если у нас в руках твердое тело, то мы сначала смотрим, какое оно на вид, интересуемся формой тела. Затем судим о его весе — тяжелое оно или легкое. И, конечно, говорим о температуре.

Затем можно определить твердость тела — упругое оно или нет, как проводит тепло и многое другое.

Что касается газа, то говорят только о трех его характеристиках. Во-первых, у газа имеется определенная температура. Это мера тепловой энергии газа, мера энергии движения его молекул. Не надо, конечно, думать, что все молекулы двигаются точно с одними и теми же скоростями. Нет, у одних молекул скорость поменьше. Другие — порезвее, быстрее двигаются. Температуру определяет средняя скорость. Допустим, измерили мы скорости всех молекул. А потом сложили эти части и разделили на число молекул.

Это и будет средняя скорость.

Кроме того, газ находится в каком-то сосуде, значит, обладает определенным объемом.

И, наконец, третья величина. Молекулы газа бомбардируют стенки сосуда, во время своих полетов ударяются в стенки. Чем больше таких ударов, чем больше скорость молекул, тем труднее приходится стенкам. Газ сильнее давит на них.

Все эти удары, вместе взятые, создают давление газа.

Итак, температура газа, объем и давление. Вот величины, с которыми связана жизнь газа. Их называют параметрами. Только они не существуют каждая сама по себе.

Возьмем, например, кусок мела. Он может быть большим и маленьким, теплым и холодным.

Но объем куска мела никакого отношения не имеет к его температуре. Вообще говоря, при нагревании твердые тела расширяются, но очень немного. Зато в газах объем, давление и температура связаны между собой. Это легко установить.

Подобные опыты ученые проделали давно.

Еще в средние века, когда физика только становилась наукой, люди, которых интересовали загадки природы, собирались. вместе, рассказывали о своих наблюдениях, спорили, объясняя то или иное интересное явление.

Так рождалась наука — в беседах, спорах, так люди открывали законы природы, подтверждая их опытами, создавая первые формулы.

В Англии в XVII веке образовался большой кружок таких исследователей. Сначала он носил название «Незримая коллегия», и ученые собирались почти подпольно.

Они боялись, что королевские власти и вездесущая церковь сочтут их занятия греховными.

Ученые недолго собирались втайне. Скоро английский король признал общество ученых, взял его под свое покровительство и повелел называть Лондонским королевским обществом. Так и теперь называется Английская академия наук, которая выросла из небольшого кружка ученых.

Среди ученых, которые сразу же стали работать в этой академии, был и гениальный Исаак Ньютон, основавший современную физику, и Роберт Гук, который изучал упругость тел, колебания маятника, свойства звука.

Было много других. В том числе очень богатый человек — Роберт Бойль.

Роберт Бойль (1627–1691).

Роберта Бойля интересовало в науке лишь одно: он увлекался исследованием газов.

Еще задолго до Бойля итальянские ученые выяснили много любопытного, узнали о некоторых свойствах газов. Торричелли доказал, что воздух давит на нас сверху с большой силой. Ученые уже знали, что воздух можно сжимать, что, нагреваясь, он расширяется. Но по-настоящему газами занялся Бойль. Он наблюдал много интересных явлений. Некоторые из них Бойль даже не старался объяснить. А это очень жалко. Например, в одном из своих опытов английский ученый по сути дела доказал, что воздух состоит из отдельных частичек — молекул. Но объяснили это лишь много лет спустя.

Бойль проделал несколько опытов, благодаря которым остался навсегда в памяти потомков. Он открыл закон, носящий теперь имя закона Бойля — Мариотта. Бойль запаял небольшую изогнутую трубочку. В запаянном ее колене оказался воздух. Потом ученый стал поджимать этот воздух, добавляя в открытое колено ртуть. Воздух сжимался. И Бойль выяснил, что, чем меньший объем занимает попавший в ловушку воздух, тем большее количество ртути он уравновешивает.

Ртуть давит на воздух. И воздух также давит на ртуть. Оба давления одинаковы, раз столбик ртути покоится на месте.

Получается, что давление газа и его объем взаимосвязаны. Если не менять температуру, держать ее постоянной, то зависимость получается очень простая. Объем газа и его давление при постоянной температуре обратно пропорциональны друг другу.

Так формулируется закон Бойля — Мариотта.

Но при чем тут какой-то Мариотт? Ведь его сделал Бойль.

Сделать-то он сделал, но окончательного конкретного вывода не дал.

Он больше любил проводить интересные наблюдения, ставить диковинные опыты, а потом рассказывать о них на заседаниях Королевского общества.

А создавать теории, делать выводы, предположения — скучно!

В это же время появилась еще одна академия — французская. Одним из ее организаторов был замечательный ученый, исключительно пунктуальный и последовательный человек — Эрнст Мариотт. Бойль открыл свой закон в 1662 году. Доложил об опытах и забросил их. А Мариотт независимо от него пришел к тому же самому. Зато именно он дал новому закону четкую формулировку, которой мы пользуемся и сейчас.

Произошло это в 1676 году. Но в то время наука развивалась не спеша. Сейчас мы считаем, что закон открыт одновременно и независимо друг от друга английским и французским учеными.

Через сто лет после этих событий во Франции родился еще один ученый, который продолжил работы Бойля и Мариотта по изучению газов.

Это был Жозеф Гей-Люссак. Именно ему мы обязаны рождением замечательного закона, с помощью которого сейчас без малейшего усилия докажем, что существует таинственная температура — абсолютный нуль.

Гей-Люссак также изучил поведение газов при нагревании. Для этого он создал специальную установку. Она очень напоминала аппаратуру Бойля. И вообще надо сказать, что английский физик был прекрасным экспериментатором, великолепно умел проводить различные опыты. (Эксперимент — это и есть опыт. Экспериментатор — ученый, работающий практически. Есть ведь еще и теоретики. На их письменных столах не видно ничего, кроме бумаги и ручки. Однако они умеют так глубоко заглянуть в глубь вещества, что открывают в нем многие неожиданные свойства, объясняют сложнейшие результаты, полученные экспериментаторами. А такие замечательные ученые и теоретики, как Ньютон, Ломоносов, Галилей, были и экспериментаторами.)

Но вернемся к экспериментам Гей-Люссака. Мы уже знаем, что он заинтересовался, как ведут себя газы при нагревании. Сначала Гей-Люссак, нагревая газ, давал ему возможность расширяться. Для опыта брал ту же порцию воздуха, которой пользовался Бойль. Помните трубку и пленника — воздух в запаянном ее колене? Воздух подогревается, и капелька ртути, которая закрывает ему путь к свободе, постепенно поднимается. Объем воздуха явно растет. В другом опыте Гей-Люссак решил оставить постоянный объем. Подогревая воздух, он все время добавлял ртуть во второе колено трубочки. Тогда объем воздуха действительно не менялся. Зато повышалось давление. Ведь теперь упругий воздух выдерживает давление все большего и большего количества ртути. Возрастает и давление газа. Ртуть стоит на месте. Значит, давление с той и другой стороны на нее одинаково.

Гей-Люссак произвел подсчеты. И получилось, что и объем и давление газа при нагревании увеличиваются приблизительно на одну и ту же величину. Каждый лишний градус температуры изменяет объем или давление на 1/273 часть того, что было у газа при нуле.

Увеличивают температуру, увеличивается давление. Уменьшают — давление уменьшается. Так Гей-Люссак подтвердил закон, открытый за несколько лет до этого французским ученым Шарлем. Но вот объемные соотношения он открыл сам. И доказал, что эти законы относятся ко всем газам без исключения. Водород, азот, кислород, смесь газов, называемая воздухом, — все равно.

Нагрели на один градус — получайте 1/273 объема или давления!

После того как Гей-Люссак численно сформулировал свой закон, настала очередь абсолютного нуля.

Вы уже, конечно, заметили появление этого таинственного числа 273. Если газ охлаждать, то с каждым градусом давление его уменьшится на 1/273 часть. Оно будет все меньше и меньше, пока…

Но по порядку!