Борис Смагин - Вблизи абсолютного нуля

Правда, в действительности полностью процессы адиабатными не бывают. Все-таки любая изоляция пропускает тепло. Как бы газ быстро ни нагревался, он кое-что из своего тепла успеет уделить или, наоборот, воспринять от окружающих тел.

Итак, мы узнали, что, когда газ расширяется адиабатно, он охлаждается. Иногда даже очень сильно. Но все-таки этого охлаждения для очень низких температур не хватит. Тогда ученые нашли еще одну возможность охладить газ. Гораздо сильнее, чем при обычном адиабатном расширении. Натолкнули их на этот эффект все те же пористые материалы.

В 1852 году два английских ученых — Джеймс Джоуль и Уильям Томсон — изучали поведение различных газов.

Газы были очень популярны в лабораториях того времени. Пожалуй, как сейчас атомы. Но надо сказать, что вся атомная физика и теория строения вещества родились лишь после того, как ученые самым тщательным образом исследовали всевозможные явления, происходящие в газах. Это неудивительно. Ведь молекулам газа «дышится» свободнее, чем в жидкостях и твердых телах. Поэтому изучать жизнь молекул удобнее всего именно в газах. Но ученые еще не заглядывали так далеко в глубь вещества. Их интересовали газы как таковые.

В числе других опытов, которые проделывали Джоуль и Томсон (тот самый, что позже стал Кельвином), был, на первый взгляд, странный эксперимент.

Ученые перегоняли газы через пористую перегородку. Вернее, сначала они представляли газам возможность самим совершать это путешествие. А потом подгоняли их с помощью сильного давления. Ученые заметили, что с газами при этом происходят весьма существенные изменения. Чаще всего они охлаждаются. А некоторые нагреваются. Причем это зависит не только от вида газа, но и от его первоначальной температуры. Английские ученые весьма основательно исследовали это явление. И называется оно с тех пор в их честь эффектом Джоуля — Томсона.

Разумеется, за него разом ухватились конструкторы различных холодильных аппаратов. В технике этот процесс именуется дросселированием.

Слово «дроссель» означает регулятор. Дросселями регулируют потоки жидкости, давление в жидкостях. Течет, скажем, по трубе вода. А в середине трубы — заслонка. Она задерживает течение, пускает то больше воды, то меньше. Это и есть дроссель.

Сначала ученые для охлаждения действительно просто перегоняли газы через пористую перегородку. Вроде того самого кувшина, о котором мы говорили, когда знакомились с археологами. Вообще говоря, эта перегородка удерживает газы. Но в ней есть поры. И через поры газ может понемногу просачиваться.

Сейчас используют специальные устройства — вентили. Это узкая щель, которую можно увеличивать или уменьшать. Газ сначала сильно сжимают, а потом пускают через вентиль. Он проскакивает вентиль и расширяется. Тут-то и происходит охлаждение.

И опять-таки понятно почему.

Обмена тепловой энергией с внешним миром нет. Происходит адиабатный процесс. Внутренняя работа, которую газ совершает здесь, гораздо больше, чем при обычном адиабатном расширении. Очень сильно падает давление газа. Газ расширяется резко. Его молекулы удаляются друг от друга на большие расстояния. Кроме того, часть внутренней энергии газа расходуется, чтобы пробраться через щель. И в результате температура падает. Чтобы дросселирование проходило хорошо, нужно одно условие. Чем ниже первоначальная температура газа, тем сильнее он охлаждается, а иногда, как вы знаете, это необходимо, чтобы он вообще начал охлаждаться.

Для резкого охлаждения надо добиваться большой разности давлений. Скажем, газ продувают под давлением, в сто раз большим, чем давление газа на другой стороне вентиля. Вот тогда и температура понизится заметно.

Дросселирование как будто совсем незнакомое явление. Но и с ним опять-таки каждый не раз встречался. Правда, небольшой это эффект, но все-таки заметить его можно. Если дунуть на руку через сильно сжатые губы, то рука почувствует холодок. Во-первых, это произойдет из-за того, что руку будет охлаждать сильная струя воздуха. А во-вторых, появится и дросселирование, так как воздух мы пропускаем через вентиль — наши сжатые губы. Давление воздуха во рту гораздо больше комнатного. Не зря же мы так сильно дуем.

Если вдуматься, то нет ничего удивительного, что, проходя перегородку, газ охлаждается.

Вспомните, сколько потов сойдет, пока проберешься сквозь густой кустарник. А, думаете, молекулам газа легче?

Дросселирование, адиабатный процесс — что-то вроде обходных путей. Мы старались заставить газ совершать внутреннюю работу, отнимали у него тепло необычным образом.

Это все очень интересно. Однако способ дросселирования не такой уж удобный, как кажется. Повышать давление газа надо? Надо. А для этого приходится сооружать специальные громоздкие насосы — компрессоры. Потом, не все газы такие покладистые. Еще Джоуль и Томсон отметили, что они весьма капризны. Одному достаточно комнатной температуры, и можно посылать его к дросселю для охлаждения. А другой требует, чтобы его сначала сильно охладили. В противном случае, пройдя дроссель, капризуля-газ даже нагреется, сумеет забрать тепло со стороны.

А почему бы не подействовать попросту? Дадим газу честно поработать. Пусть себе потрудится «в поте лица своего»! Скажем, пусть он двигает поршень. Самый обыкновенный поршень, какие встречаются во всех двигателях. И в автомобиле, и в мотоцикле, и во всех старых самолетах.

Что там происходит? Взрывается смесь бензина с воздухом. Газ расширяется и резко двигает поршень в цилиндре. А там уже стоит передача, и каждый толчок газа передается колесам.

Неплохо бы такую же работу предложить газу для охлаждения. Пусть поработает. Но здесь надо обязательно как-то изолировать газ, чтобы он не получил помощи извне. Пусть и внешняя работа происходит только за счет внутренней энергии газа.

Короче говоря, опять надо постараться, чтобы процесс был адиабатным.

Так и появились специальные установки для внешней работы газа. Конечно, в этом случае поработает газ на копейку. Но это проделывается лишь для того, чтобы понизить его температуру, охладить посильнее.

В технике охлаждения, а называется она криогенной, у подобных поршней есть свое имя — детандеры.

Общий вид их примерно одинаков. Во всяком случае, всегда можно догадаться, для чего такое устройство служит.

Имеется цилиндр, а внутри его поршень. Поршень может перемещаться. Но не свободно. Его придерживают. Иногда таким тормозом служит вода. Это — гидравлический тормоз. Чтобы столкнуть поршень, газу надо преодолеть сопротивление воды, сдвинуть ее с места. «Это можно сделать — только соверши работу, охладись» — так говорит газу вода.