Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
относится к 1877 г.
Почти за сто лет до этой даты, в 1783 г., Лавуазье писал:
"...если бы мы могли погрузить Землю в некую весьма холодную область,
например в атмосферу Юпитера или Сатурна, то все каши реки и океаны
превратились бы в горы. Воздух (или, по крайней мере, некоторые его
компоненты) перестал бы быть невидимым и превратился бы в жидкость.
Превращение такого рода открыло бы возможность получения новых жидкостей,
о которых мы до сих пор не имеем никакого понятия".
Лавуазье не видел другого пути сжижения воздуха, кроме как перенести его
на другую - холодную планету.
Получать тепло было привычно, "делать" холод не позволяла даже фантазия
*).
В 1877 г. горный инженер Кайете обнаружил капли жидкого ацетилена в
лабораторном сосуде, в котором неожиданно открылась течь. Резкое
понижение давления вызвало образование тумана. Почти в те же^дни Пикте из
Женевы сообщил о последовательном, каскадном сжижении разных газов,
завершившемся получением жидкого кислорода при температуре -140 РС и
давлении 320 атмосфер. Температура в опытах Кайете оценивалась в -200 еС.
Техники занялись постройкой холодильных аппаратов. В 1879 г. из Австралии
в Англию отправился первый рефрижератор, груженный мясом. По-видимому,
первый из патентов на холодильные устройства, датированный 1887 г., был
выдан Сименсу **). Но эти устройства давали мало холода. Жидкий воздух
был получен Клодом в 1902 г. Все методы сжижения были основаны на
охлаждении газа при расширении с совершением работы (в поршневом или
турбинном двигателе)
*) Вспомните "Снежную королеву" Андерсена. Даже она не могла сделать
холод, а вынуждена была жить на севере.
**) В 1888 г. в Астрахани была построена большая холодильная машина для
замораживания рыбы.
110
либо при расширении в пустоту, когда работа совершается против сил
притяжения молекул внутри самого газа.
В этой истории надо упомянуть Дьюара, который в 1898 г. получил жидкий
водород, снизив температуру примерно до 129 К- Наконец, в 1908 г.
Камерлинг-Оннес в Голландии получил и жидкий гелий. Температура, которая
была им достигнута, только на 1а отличалась от абсолютного нуля.
В 1939 г. П. Л. Капица доказал большую эффективность сжижительных машин,
в которых газ совершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили
с тех пор большое распространение. Ок же предложил и конструкцию
эффективной установки для сжижения гелия.
МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
Схема уровней атомов в кристаллах поможет нам разобраться в интересном
методе охлаждения, который можно придумать, только хорошо зная квантовую
механику.
При низких температурах прекращается почти всякое движение -
поступательное, вращательное. Однако даже при температурах, меньших 1 К,
спины атомов продолжают вести себя как атомы идеального газа - они
обмениваются энергией (хотя и слабо), и их положение в пространстве (их
проекции на направление магнитного поля) может изменяться почти свободно.
В таких элементах, как редкие земли, электроны заполняют внутренние
оболочки атомов, и их спины почти не чувствуют других электронов.
Следовательно, и магнитные моменты ведут себя как свободные.
На этом свойстве электронов основан метод получе-ния"сверхнизких
температур - магнитное охлаждение.
Если наложить на кристалл, в который входят атомы редких земель,
магнитное поле и позаботиться о том, чтобы кристалл не нагрелся (т. е.
включать поле изотермически), то, как говорилось, спустя небольшое время
все магнитные моменты (если они положительны, т. е. если g > 0)
установятся по полю, так сказать, стрелкой на юг. Если теперь быстро
выключить магнитное поле, то возникнет необычная картина. Поля нет, все
спины направлены в одну сторону, а не разбросаны хаотически, как это
должно было быть в тепловом равновесии.
111
Правда, мы предположили, что, кроме движения спинов, в системе ничего не
происходит, движением атомов, их колебаниями мы пренебрегли. Теперь надо
уточнить картину. Атомы в кристаллической решетке на самом деле
колеблются, так как решетка имеет некоторую температуру Т. Интенсивность
колебаний и определяется этим значением Т. Движение атомов передается и
спинам, так как при движении зарядов возникает слабое переменное
магнитное поле. Поэтому спины находятся не в полной изоляции, а в
термостате, имеющем температуру Т.
Когда с помощью внешнего магнитного поля все спины оказываются
выстроенными в одном направлении, то возникает порядок, который не может
сохраняться без поля. Спикы должны изменять свое направление (в
результате взаимодействия с колеблющимися атомами) и стремиться
расположиться хаотически - так, чтобы любая из его проекций встречалась с
одинаковой вероятностью. При таком процессе должен возникнуть обмен
энергией между спинами и колебаниями атомов.
Рис. 28. Адиабатическое размагничивание. Энтропия как функция температуры
без поля (Я = 0) и в поле (Я = Я0).
Однако на первый взгляд трудно понять, в какую сторону будет передаваться
энергия - будут ли колебания атомов усиливаться или же ослабляться.
