Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота
Долгие годы Лейденская лаборатория была единственной «низкотемпературной» лабораторией. Теперь же во всех странах существуют десятки таких лабораторий, не говоря уже о заводах, производящих жидкий воздух для технических целей.
Каскадный метод получения низких температур теперь применяется редко. В технических установках для понижения температуры применяют другой способ понижения внутренней энергии газа: заставляют газ быстро расширяться и производить работу за счет внутренней энергии.
Если, например, сжатый до нескольких атмосфер воздух пустить в расширитель, то при совершении работы перемещения поршня или вращения турбины воздух так резко охладится, что превратится в жидкость. Углекислый газ, если его быстро выпустить из баллона, так резко охлаждается, что на лету превращается в «лед».
Жидкие газы находят широкое применение в технике. Жидкий кислород употребляется во взрывной технике, как компонент топливной смеси в реактивных двигателях.
Сжижение воздуха используется в технике для разделения составляющих воздух газов, о чем речь будет ниже.
Температура жидкого воздуха широко используется в различных областях техники. Но для многих физических исследований эта температура недостаточно низка. Действительно, если перевести градусы Цельсия в абсолютную шкалу, то мы увидим, что температура жидкого воздуха – это примерно 1/3 от комнатной температуры. Гораздо более интересны для физики «водородные» температуры, т.е. температуры порядка 14–20 K, и в особенности «гелиевые» температуры. Самая низкая температура, получающаяся при откачке жидкого гелия, это 0,7 K.
Физикам удалось и гораздо ближе подойти к абсолютному нулю. В настоящее время получены температуры, превышающие абсолютный нуль всего лишь на несколько тысячных долей градуса. Однако эти сверхнизкие температуры получаются способами, не похожими на те, что мы описали выше.
Переохлажденный пар и перегретая жидкость
При переходе температуры кипения пар должен конденсироваться, превращаться в жидкость. Однако, оказывается, если пар не соприкасается с жидкостью и если пар очень чистый, то удается получить переохлажденный или пересыщенный пар – пар, которому давно следовало бы уже стать жидкостью.
Пересыщенный пар очень неустойчив. Иногда достаточно толчка или брошенной в пространстве пара крупинки, чтобы запоздавшая конденсация началась немедленно.
Опыт показывает, что сгущение молекул пара резко облегчается внесением в пар мелких инородных частиц. В пыльном воздухе пересыщение водяного пара не происходит. Можно вызвать конденсацию клубами дыма. Ведь дым состоит из мелких твердых частичек. Попадая в пар, эти частички собирают около себя молекулы, становятся центрами конденсации.
Итак, хотя и неустойчиво, пар может существовать в области температур, приспособленной для «жизни» жидкости.
А может ли жидкость на тех же условиях «жить» в области пара? Иначе говоря, можно ли перегреть жидкость?
Оказывается, можно. Для этого нужно добиться, чтобы молекулы жидкости не отрывались от ее поверхности. Радикальное средство – ликвидировать свободную поверхность, т.е. поместить жидкость в такой сосуд, где она была бы сжата со всех сторон твердыми стенками. Таким способом удается достигнуть перегрева порядка нескольких градусов, т.е. увести точку, изображающую состояние жидкостей, вправо от кривой кипения (рис. 100).
Перегрев – это сдвиг жидкости в область пара, поэтому перегрева жидкости можно добиться как подводом тепла, так и уменьшением давления.
Последним способом можно добиться удивительного результата. Вода или другая жидкость, тщательно освобожденная от растворенных газов (это нелегко сделать), помещается в сосуд с поршнем, доходящим до поверхности жидкости. Сосуд и поршень должны смачиваться жидкостью. Если теперь тянуть поршень на себя, то вода, сцепленная с дном поршня, последует за ним. Но слой воды, уцепившийся за поршень, потянет за собой следующий слой воды, этот слой потянет нижележащий – в результате жидкость растянется.
В конце концов столб воды разорвется (именно столб воды, а не вода оторвется от поршня), но произойдет это тогда, когда сила на единицу площади дойдет до десятков килограммов. Другими словами, в жидкости создается отрицательное давление в десятки атмосфер.
Уже при малых положительных давлениях устойчивым является парообразное состояние вещества. А жидкость можно довести до отрицательного давления. Более яркого примера «перегрева» не придумаешь.
Плавление
Нет такого твердого тела, которое сколько угодно противостояло бы повышению температуры. Рано или поздно твердый кусочек превращается в жидкость; правда, в некоторых случаях нам не удастся добраться до температуры плавления – может произойти химическое разложение.
По мере возрастания температуры молекулы движутся все интенсивнее. Наконец, наступает такой момент, когда поддержание порядка среди сильно «раскачавшихся» молекул становится невозможным. Твердое тело плавится. Самой высокой температурой плавления обладает вольфрам: 3380 °C. Золото плавится при 1063 °C, железо – при 1539 °C. Впрочем, есть и легкоплавкие металлы. Ртуть, как хорошо известно, плавится уже при температуре −39 °C. Органические вещества не имеют высоких температур плавления. Нафталин плавится при 80 °C, толуол – при −94,5 °C.
Измерить температуру плавления тела, в особенности если оно плавится в интервале температур, который измеряют обычным термометром, совсем нетрудно. Совсем не обязательно следить глазами за плавящимся телом. Достаточно смотреть на ртутный столбик термометра (рис. 101). Пока плавление не началось, температура тела растет. Как только плавление начинается, повышение температуры прекращается, и температура останется неизменной, пока процесс плавления не закончится полностью.
Как и превращение жидкости в пар, превращение твердого тела в жидкость требует тепла. Необходимая для этого теплота называется скрытой теплотой плавления. Например, плавление одного килограмма льда требует 80 больших калорий.
Лед относится к числу тел, обладающих большой теплотой плавления. Плавление льда требует, например, в 10 раз больше энергии, чем плавление такой же массы свинца. Разумеется, речь идет о самом плавлении, мы здесь не говорим, что до начала плавления свинца его надо нагреть до +327 °C. Из-за большой теплоты плавления льда замедляется таяние снега. Представьте себе, что теплота плавления была бы в 10 раз меньше. Тогда весенние паводки приводили бы ежегодно к невообразимым бедствиям.
Итак, теплота плавления льда велика, но она же и мала, если ее сравнить с теплотой парообразования в 540 больших калорий на килограмм (в семь раз меньше). Впрочем, это различие совершенно естественно. Переводя жидкость в пар, мы должны оторвать молекулы одну от другой, а при плавлении нам приходится лишь разрушить порядок в расположении молекул, оставив их почти на тех же расстояниях. Ясно, что во втором случае требуется меньше работы.
Наличие определенной точки плавления есть важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их легко отличить от других твердых тел, называемых аморфными или стеклами. Стекла встречаются как среди неорганических, так и среди органических веществ. Оконные стекла делаются обычно из силикатов натрия и кальция; на письменный стол кладут часто органическое стекло (его называют еще плексиглас). Аморфные вещества в противоположность кристаллам не имеют определенной температуры плавления. Стекло не плавится, а размягчается. При нагревании кусок стекла сначала становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает изменять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса стекла принимает форму того сосуда, в котором оно лежит. Эта масса сначала густа, как мед, потом – как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. При всем желании мы не можем здесь указать определенной температуры перехода твердого тела в жидкое. Причины этого лежат в коренном отличии строения стекла от строения кристаллических тел. Как говорилось выше, атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Стекла по строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле молекулы расположены беспорядочно. Значит, повышение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое» – «жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному расположению.
