Приглашаем на IV международную конференцию
«Современные проблемы теплофизики и энергетики«» (СПТЭ-2024)

Направления работы конференции:
• Гидродинамика и тепломассообмен,
• Физика плазмы и плазменные технологии,
• Свойства рабочих тел в энергетике,
• Повышение эффективности, надежности и безопасности работы теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС, цифровизация энергетики

Срок подачи расширенных тезисов докладов - до 15 мая 2024 года.
Конференция пройдёт в октябре 2024 года в Московском Энергетическом институте
Подробная информация на официальном сайте - spte.mpei.ru

На пути к сверхнизким температурам

Введение

Общеизвестно, что любое событие, ставшее сколь либо знаковым и оставившим след в истории, является лишь последним этапом, завершающим череду длительных действий и операций, направленных на то, чтобы сделать подготовку к этому событию оптимальной. Это если смотреть с одной стороны. С другой же – эти свершения открывают новые горизонты, новые пути, позволяющие развиваться и ставить всё новые и новые задачи. А уже их решение позволит изменить ход тех или иных процессов. Данное утверждение особенно актуально в науке, а точнее в тех исследованиях, которые проводятся в научных целях.

Ведь каждые новые факты или теории, подтверждённые опытным путём, позволяют подвести черту под определённым циклом работ по теме. В то же время в этом процессе могут вскрыться некие явления, для определения и понимания которых могут потребоваться новые измерений и расчёты. И так может продолжаться до бесконечности.

Таким фактом является получение жидкого гелия, ставшее важной вехой в истории техники и физики низких температур. Получить его смог Хейке Камерлинг-Оннес в 1908 году, что стало, с одной стороны, завершающим этапом в работе по ожижению газов, а с другой – развитие этого явления привело к новому, не менее важному открытию – сверхпроводимости у металлов.

Предыстория вопроса

О том, что неизведанный мир низких температур существует, учёные догадывались давно. Так, например, первые попытки чего-то добиться в этом направлении были сделаны ещё в конце 18-го столетия, а вот уже в 19-м веке учёные научились сжижать многие газы – азот, водород и кислород один за другим были получены в жидком состоянии. И вот перед учёными камнем преткновения встал гелий. Стали даже высказываться предположения, что он является каким-то особым газом, и получить жидкость из него невозможно, но, как мы теперь знаем, это было не так.

Энтузиастов, помимо Камерлинг-Оннеса, желающих получить жидкий гелий, хватало, но успеха добился только Хейке. Именно он в Лейденском университете провёл эксперимент, ставший уникальным, поскольку именно в нём был получен столь желаемый гелий в жидком виде, что подвело черту в многолетней работе, связанной с поиском новых жидкостей.

Но на этом Камерлинг-Оннес не успокоился. Его всерьёз интересовала теория газов, разработанная Йоханнесом Ван-дер-Ваальсом, которая устанавливала соотношения между основными параметрами, такими как давление, объём и температура. Кроме того, данная теория давала возможность учитывать разницу, которая была в поведениях реальных газов и идеальных.

В это время Ван-дер-Ваальс работал преподавателем в голландской столице. И Камерлинг-Оннес решил вступить с ним в переписку, выбрав в качестве темы для беседы молекулярную теорию.

У Ван-дер-Ваальса была ещё и так называемая теория соответственных состояний, согласно которой все газы без исключения ведут себя одинаково, если их поставить в определённые условия – то есть давление и температуру выбрать с учётом того, что притяжение между их молекулы очень мало. По мнению же Камерлинга-Оннеса, исследуя поведение газов в условиях низких температур, позволит получить чрезвычайно важную и полезную информацию, которая поможет проверить теорию соответственных состояний.

Как бы то ни было – для получения низких температур нужно было сжижать газы. С этой целью Камерлинг-Оннес выбрал исследование низкотемпературных эффектов для изучения в своей лаборатории. Эта область криогеники является достаточно узкой, а потому требовала особого внимания и усердия. И Камерлинг-Оннес отнёсся к этому так, как было нужно.

Меры, принятые Камерлинг-Оннесом

Он начал свою работу с того, что построил самый настоящий завод по сжижению газов, в котором можно было в очень больших количествах получать азот, кислород и просто воздух в виде низкотемпературных жидкостей. Они же шли в дело, поскольку были просто необходимы для проведения экспериментов, связанных с изучением свойств материалов, а также для того, чтобы добиться того, чтобы они смогли достичь состояния ещё более низких температур.

Также стоит поразиться основательности работы Камерлинг-Оннеса. Он с одной единственной целью, дабы иметь подготовленных и квалифицированных ассистентов в своей работе, открыл училище для механиков и стеклодувов. Причём училище это было очень высокого качества, поскольку его выпускники вскоре попали во многие физические лаборатории по всему миру! Таким образом, можно сделать вывод, что лаборатория Камерлинг-Оннеса – это самый настоящий образец современных НИИ.

Несмотря на то, что шотландец Джеймс Дьюар смог первым получить водород в жидком виде (а случилось это в 1898 году), Камерлинг-Оннес отметился и тут, поскольку только он смог наладить на поток его получение в больших количествах! В частности, его установка, смонтированная на заводе, могла производить до четырёх литров этого самого жидкого водорода за час! Неплохой показатель, неправда ли?!

В создании этой установки приняли участие лучшие техники, воспитанные в училище Камерлинг-Оннеса. Тут пригодилось всё их искусство – механики создавали насосы, стеклодувы изготавливали прозрачные сосуды, которые были предназначены для того, чтобы через их стенки можно было следить за тем, как вещества ведут себя при воздействии низких температур.

Таким образом, получилось так, что Лейденский университет стал самой настоящей единой лабораторией низких температур, в которой работала ставшая знаменитой лейденская школа стеклодувов и прибористов, выпускники которой, кажется, способны были изготовить своими руками всё, что угодно!

Камерлинг-Оннес изготавливал не лабораторное оборудование в его классическом понимании, а, как бы сейчас сказали, полупромышленные установки, позволяющие получать искомые жидкости не малыми дозами, по каплям, а целыми литрами. Кроме того, под его руководством выпускался специализированный научный журнал, а двери его лаборатории были всегда открыты для тех, кто спал и видел себя работником в области криогенной техники.

Такой небывалый успех голландца отнюдь не случаен, поскольку он был человеком, который смог понять коллективизм, который будет присущ современной науке 20-го века, тем самым существенно опередив своё время. Этот необычный человек, сочетавший в себе учёного, инженера, физика и организатора и создавший первую научную лабораторию современного типа, который понял одним из первых, что для проникновения в самые глубокие природные тайны требуется не только мощная технологическая база, но и уникальное оборудование и соответствующий персонал. Только сочетание этих трёх факторов способно дать отличный результат!

Это сегодня мы всё знаем и понимаем, что без масштабных физических исследований не обойтись, но тогда Оннес был первооткрывателем, что резко выделяло его на фоне других экспериментаторов.

Стоит отметить, что самая первая установка для сжижения атмосферных газов, созданная в 1894 году, обладала такой высокой производительностью, что легко удовлетворяла потребности лаборатории несколько лет, хотя они (эти потребности) постоянно росли.

Понятно, что столь серьёзный подход и солидное техническое преимущество Оннеса быстро дало свои результаты – за очень сжатые сроки он смог преодолеть все известные на тот момент ступени, достигнув абсолютного нуля. Таким образом, он смог получить жидкие кислород, неон и водород. На очереди был жидкий гелий.

Cам эксперимент

И вот 10 июля 1908 года под наблюдением физиков, съехавшихся со всего света, был начат грандиозный эксперимент, вошедший в историю. Для процедуры сжижения применялась каскадная установка, совершенство которой удивляет и в наши дни. Работа началась в 6.00. Первым этапом было сжижения 20-ти литров водорода, который был необходим для последующего охлаждения гелия. Он был завершён в два часа дня, а уже спустя три часа после этого началась циркуляция охлаждённого гелия, а криостат ожижителя попал в область не изученных до того низких температур.

Долгое время термометр, измеряющий температуру разреженного гелия, показывал практически одни и те же данные. Аппаратуру пришлось дополнительно регулировать, в результате чего температура несколько снизилась, но постепенно это снижение сошло на нет. Тянулись томительные часы ожидания, жидкий водород, заготовленный для эксперимента, подходил к концу, а гелий никак не хотел сжижаться. И вот наступило 8 вечера, напряжение прямо-таки повисло в воздухе. Многие уже поверили в том, что эта попытка станет очередной неудачей…

Но неожиданно один из физиков, присутствующих на эксперименте, предположил, что жидкость уже перестала кипеть – поэтому и не удаётся зафиксировать снижение температуры. Было решено осветить сосуд снизу – и все увидели, что на дне имеется небольшого количество жидкости. Оказывается, что в сосуд почти полностью был заполнен вновь образованной жидкостью, не имеющей цвета. Это и был столь желаемый жидкий гелий. Была получена температура 4,2 К, что означало, что до абсолютного ноля осталось совсем немного!

Сам Камерлинг-Оннес был просто потрясён. Впервые он увидел жидкость, которая имела практически нематериальный вид, ведь он даже не смог заметить её втекания в сосуд. А замечена она была только тогда, когда сосуд ею был уже наполнен. При этом поверхность жидкости выделялась столь же остро, как и лезвие ножа.

Камерлинг-Оннес испытал очень смешанные чувства, сочетающие в себе волнение, счастье, гордость и даже смущение. По его словам, он был вне себя от нахлынувшей на него радости в том момент, когда он смог показать полученный им жидкий гелий Ван-дер-Ваальсу, теория которого, как известно, стал той путеводной звездой, которая и вывела его на правильный путь к сверхнизким температурам. Поздравление сыпались со всех сторон, но, пожалуй, ни один поздравляющий и не подозревал, что Оннесом для физики была открыта дверь в новый мир, а сам стоял на пороге другого эпохального открытия. Чествования в Лейдене не подводили черту под его открытиями, поскольку главное у него было ещё впереди.

Позднее Камерлинг-Оннес побил свои же достижения и добился ещё более низких температур. Так, в 1909 году он, при помощи жидкого гелия, смог получить температуру 1,38 К, а годом позднее – 1,04 К.

Но следует помнить, что главной своей задачей он видел не в получении столь низких температур, а исследование свойств полученных веществ в таких условиях. Он проверял многие параметры, к которым, в первую очередь, относились вязкость, магнитные свойства, спектры поглощения, фосфоресценция и т.д.

Делал он всё это не просто так, поскольку считал, что именно понижение температуры поможет заглянуть в тайный внутренний мир атомов и электронов, скрытый до поры завесой обычных температур.

Источник: Портал 29 февраля. Сверхнизкие температуры

Следующая страница: Пожаротушащее вещество 3М™ Novec™ 1230