Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Вплив тоталітарної ідеології на зміну мовної норми української літературної мови (на матеріалі перекладних статей російсько-українських академічних сл...полностью>>
'Документ'
Кировское областное государственное автономное образовательное учреждение дополнительного образования детей – «Центр дополнительного образования одар...полностью>>
'Урок'
Ведущий: С.А. Васильев, научный руководитель МЦСЭИ "Леонтьевский центр", член правления, заместитель Председателя Банка развития и внешнеэко...полностью>>
'Программа дисциплины'
При изучении курса предполагается, что слушателями освоены программы курсов «Микроэкономика», «Экономика организаций (предприятия)», «Финансовый мене...полностью>>

Низкие температуры, пути достижения. История и современность

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Дальнейшие опыты Фарадея.

Мы уже видели, что при своих первых опытах Фарадей хотел с помощью одного только сжатия привести газ к сжижению. Это странно, так как до Фарадея опыты, производившиеся Монжем, Клуэ, Гюитоном де Морво, так же, как и почти аналогичные опыты Бюсси, произведенные в 1821 году, показали с большой очевидностью, что и для газов холод является могущественным средством воздействия. Когда в 1845 году Фарадей снова принялся за уже высказан­ную, но недостаточно проработанную Колладоном, а впослед­ствии и Наттерером, мысль об одновременном применении этих обоих методов, он подошел вплотную к проблемам, над которыми до этого тщетно трудились многие ученые. Мы указали выше на смысл применения этого способа, при чем отметили, что чем ниже та температура, при которой проис­ходит процесс, тем меньше то давление, которое нужно осуществить, чтобы насытить газ, а следовательно, меньше и то давление, которое необходимо для сжижения. Точно также уже было сказано, что влияния только одного холода всегда достаточно для сжижения какого-либо газа. Но в этих случаях иногда приходится доходить до тех чрезвычайно низких температур, при которых давление сжижения обрабатываемого газа снижается до 1 атм. Если же, наоборот, вместе с холодом в процессе примет участие еще и давление, то температуру придется снижать только до того более легко достижимого предела, при котором упругость насыщения соответствует давлению, осуще­ствляемому имеющимися в нашем распоряжении аппаратами. Иначе говоря; вместо необходимости использования либо чрез­мерного холода, либо громадного давления мы имеем возможность получить нужный эффект более легким путем, а именно, путем одно­временного использования умеренного давления и не слишком интен­сивного холода. Вместе с тем, применяя достаточно высокое давле­ние и сильный холод, мы будем владеть тем средством, которое даст нам возможность покорить и самые устойчивые газы. Именно таковым и является метод, осуществленный Фарадеем с помощью такого могучего средства воздействия, как испарение смеси Тилорье под уменьшенным давлением. Уверенность Фарадея в правильности избранного им пути была столь велика, что он не искал других путей и для превращения в жидкость водорода и кислорода, уже в то время получивших известность по тем тщет­ным усилиям, которые для разрешения этой задачи были затрачены некоторыми физиками. В своем новом аппарате Фарадей не использовал сжатия, получающегося в результате выделения сжижаемых газов, так как газы, которые предполагались к опытной работе и, главным образом, водород, кислород и азот не всегда легко поддавались очистке в его первоначальном примитивном аппарате. В этом аппарате изучаемый газ, предварительно очи­щенный и осушенный, последовательно проходит через два насоса, которые подымают его давление сначала до 16-20 атм., а затем, по мере надобности, до 50; после этого он попадает в U-образную трубку, в которой находится небольшой манометр со сжатым воздухом, предназначенный для определения давления в каждый данный момент, путем перемещения ртутного столба в капиллярной трубке, заполненную воздухом, И - образная трубка окружена охлаждающей смесью Тилорье, а сам аппарат, в случае надобности, может, быть, как это показано на рисунке, помещен под колокол воздушного насоса. С помощью этого аппарата были по­лучены изумительные результаты. Не только упрямившиеся до сих пор газообразные: соляная, бромистоводород­ная, иодистоводородная и кремнефтористо-водородная кислоты, мышьяковистый и фос­фористый водород, а также и этилен были легко сжижены, но даже большинство га­зов, подвергнувшихся этим опытам были заморожены: так, сернистый водород при­нял форму белой кристаллической массы, похожей на камфору; закись азота приняла форму красивого бесцветного кристалли­ческого тела, хлорноватистая кислота - рых­лой, кристаллической массы красного цвета и т. д. А ведь это почти точное и окон­чательное подтверждение пророческого предвидения Лавуазье.

Однако, несмотря на все усилия, Фарадей оказался не в состоя­нии сжижить те газы, которые являлись целью его трудов; пять газов: водород, азот, кислород, окись углерода и метан неизменно противо­стояли его самым настойчивым попыткам.

Критическая точка.

Новые неудачи и их причины.

Неудача Фарадея побудила многих физиков взяться за изучение этого вопроса. В 1838 году Могам сжимал водород и кислород постепенно увеличивающимся давлением, которое полу­чается при самом электролизе воды. Эта остроумная комбинация не привела к каким-либо положительным результатам, при чем автор ее высказал поистине замечательное для его эпохи соображение, что про­изводство этого опыта с применением достаточно низкой температуры должно безусловно привести к положительным результатам и обес­печить успех.

В 1843 году Эме, пользуясь теми громадными давлениями, ко­торые существуют в морских глубинах, не получил лучших результа­тов, сжимая кислород и водород до 220 атм., при помощи погружения этих газов на глубину свыше 2 километров. В дальнейшем было затрачено много новых усилий, но все они, к сожалению, основывались на преувеличенном значении давления и недостаточно оценивали необходимость понижения температуры. В 1850 году Вертело удалось получить огромные давления в чрезвычайно остроумном и изящном приборе. Он помещал изучаемый газ в трубку простого термометра и нагреванием производил подъем ртути; последняя оказывала на газ все возрастающее давление, до­ходившее к концу опыта до громадных величин. В таком приборе кислород был подвергнут давлению в 780 атм., и все-таки даже, когда трубка была охлаждена в твердой углекислоте, не было обнаружено ни малейших признаков приближающегося сжижения. В 1854году Наттерер сумел получить колоссальную для давле­ний величину в 2800 атмосфер; под этими громадными давлениями сокращенные до ничтожной доли своего первоначального объема испытуемые газы героически оставались верными своей природе, ста­новясь более плотными, чем вода, но не сдаваясь! И с этих пор несжижаемые газы стали называться постоянными газами. Наука, не терпящая поспешных заключений, вскоре доказала всю неосмотрительность, которая была проявлена при определении непод­дающихся сжижению газов, как газов постоянных. Эти, столь долго сопротивлявшиеся усилиям ученых, желавших превратить их в жидкость, газы суть: водород, азот и кислород (все три - элементы) и два соединения углерода - окись углерода (СО) и (СО2). Муассан в 1866 г. к этому ряду добавил еще фтор, а впоследствии этот список был дополнен еще одним замечательным элементом гелием, который вследствие какой-то необъяснимой стран­ности, наши ученые, достойные последователи астролога Фонте нашли раньше на солнце, прежде чем обнаружили присутствие во вдыхаемом ими воздухе. Сюда можно было бы прибавить еще и вновь открытые элементы: неон, аргон, криптон, и ксенон, обнаруженные уже в послед­нее время в атмосферном воздухе в компании с гелием. После того, как Фарадеем были произведены опыты, при которых были использованы не только очень низкие температуры, но и достаточно высокие давления, и которые не привели в отношении постоянных газов к положительным результатам, трудно было рассчи­тывать, думается нам, получить успех, пользуясь только одним давле­нием или даже применяя одновременно с последним и некоторое охлаждение. Если у кого-нибудь и были основания с некоторой надеж­дой на успех пытаться производить опыты, применяя высокие давле­ния, то это был Фарадеq. И если он не счел нужным при своих опытах применить давление свыше 50 атм., то это было, не из-за невозможности их создать, а вследствие изумительного ясновидения, благодаря которому он отказался от бесплодных по его мнению усилий.

Работы Каньяр де ля Тура и мнение Фарадея.

Опыты осуществлен­ные в 1821 г. Каньяр де ля Туром прошли почти незамеченными, но не ускользнули от внимания Фарадея и помогли ему разгадать при­чину постигших его неудач. Нагревая различные жидкости в закры­тых, почти целиком заполненных сосудах, Каньярделя Тур наблю­дал, что эти жидкости при определенной температуре внезапно превра­щались в газы. При этом превращении объем их оставался без изменения, в силу чего образующееся при этом давление должно было быть очень высоким. “Очевидно, при этой температуре”, писал Фарадей, никакое увеличение давления, как бы велико оно ни было, не может сжижить образовавшийся газ. Следовательно, возможно, что для кис­лорода, азота и водорода температура -110°C выше этой нужной, а поэтому нельзя ожидать, чтобы какое бы то ни было давление, (не сопровождаемое большим понижением температуры, чем то, кото­рого достигают) могло заставить эти элементы изменить газообраз­ному состоянию. Вертело после постигших его в этом направлении неудач, держался того же мнения, и известные опыты Эндрьюса вскоре доказали безусловную правоту этой теории: температура, выше кото­рой, согласно Фарадею, невозможно сжижение данного газа, как бы мощно ни было применяемое давление, существует в действитель­ности и называется критической температурой. В период от Фарадея до Эндрьюса, с 1845 до 1863 года следует отметить несколько интересных работ. Дрион, который уже в 1845 году, проверил над сжиженными газами результаты, полученные Каньяр де ля Туром, в 1859 году заметил, что при нагревании жидкостей под давлением, расширение их быстро растет и, когда достигает пределов при которых жид­кость внезапно переходит в газообразное состояние, становится по­добным расширению газов. В 1861 году Менделеев сделал другое чрезвычайно важное наблюдение: он констатировал, что при тех же обстоятельствах теп­лота испарения жидкости постепенно уменьшается и доходит до куля при температуре внезапного превращения в газ, которую он назвал точкой абсолютного кипения. Наблюдение Менделеева доказывает, что в этих условиях вещество легко переходит из одного состояния в другое при очень незначительных колебаниях температуры. А это является новым дока­зательством непрерывности перехода от жидкого к газообразному состоянию. Таким образом, мы проследили все этапы развития интере­сующего нас вопроса и подошли к 1863 году и первым работам Эндрьюса.

Опыты Эндрьюса.

Этот великий ученый начал свои исследования постоянных газов, подвергая их одновременному влиянию давления в несколько сот атмосфер и температуры в пределах от -75°С до -110°С.

Подобно Фарадею он потерпел неудачу, несмотря на то, что он внес корректив, подвергая газы высоким давлениям при уже очень низких температурах. Все его попытки не давали положительных результатов. Таким образом, предвидения -его великого предшествен­ника получили новое и веское подтверждение. Тогда, отчаявшись, ученый поступил чрезвычайно благоразумно, обратившись к разреше­нию более простой задачи - к сжижению углекислого газа, с тем, чтобы уточнить те различные обстоятельства, которые происходят при этом процессе. Разрешая эту задачу, кажущуюся очень неслож­ной, он получил возможность шесть лет спустя создать общую тео­рию сжижения и развить идеи о последователь­ности жидкого и газообразного состояния тел. При первых же наблюдениях Эндрьюса, им были отмечены любопытные факты. Этот экспериментатор, при помощи давле­ния, производил частичное сжижение газа, раз­деляя его на жидкую и газообразную части, ко­торые затем подогревались до 31°С. При этой температуре все признаки существования жид­кости и мениск ее исчезали, и пространство оказывалось занятым однородной материей, в которой при малейшем уменьшении давления или температуры появлялись какие-то струйки. Эндрьюс констатировал, что при превышении температуры, при которой состояние жидкости не отличается от газообразного состояния ве­щества, переход газа в жидкое состояние невоз­можен, кап бы ни было велико давление, под которым газ находится. Таким образом, при температуре выше 31°С углекислый газ приобретает свойства истинного постоянного газа. А ведь это дает основание предполагать, что и по­стоянство наших газов зависит от тех же причин и что их сопроти­вляемость сжижению есть тоже только вопрос температуры. Воодушевленный благоприятным началом, Эндрьюс пред­принял более методичное и более полное изучение замеченного фено­мена и для этой цели сконструировал следующий аппарат. Тщательно откалибрированная трубка Т, вмазана в металлический сосуд А, снабженный винтовой нарезкой, по которой ходит безуко­ризненно уплотненный сальником винт V. Трубка и часть цилиндра заполнены углекислым газом; часть цилиндра свободная от газа заполнена ртутью, которая при ввинчивании винта V в цилиндр А действует на газ как поршень и перегоняет его мало-по-малу в кали­брированную трубку. Вторая система А, Т, V заключает в себе ртуть и воздух и связана с первой посредством трубки С, проходящей ниже уровня ртути. Таким образом, углекислый газ и воздух в каж­дый данный момент подвержены равным давлениям, и так как воздух, в условиях опыта, достаточно точно подчиняется закону Мариотта, то трубка Т представляет собой ничто иное, как манометр с сжатым воздухом, показывающий в каждый данный момент то давление, ко­торое он испытывает.

Кривые Эндрьюса для углекислого газа.

Результаты этих опытов изображены "на рисунке, в виде кривых, при чем по оси абсцисс отложены объемы, занимаемые углекислым газом, а по оси ординат -соответствующие давления. Каждая из кри­вых I, II, III, IV и V относится к ряду опытов, проведен­ных при одной и той же температуре. Оперируя вначале при до­вольно низких температурах, Эндрьюс получил те же результаты, что и его предшественники. Так, например, при 13,1°С объем последовательно уменьшается, при увеличении давления - до того момента пока последнее не дои дет до 50 атм. Эта фаза дает отрезок кривой, отмененный бук­вами АВ. В этот момент появляется первая капля жидкости. При дальнейшем ввинчивании винта V объем продолжает уменьшаться. Количество жидкости постепенно увеличивается, пока не наступит общее сжижение. Эта фаза дает отрезок ВС, который показывает, как это констатировал Эндрьюс, что во все время продолжающе­гося сжижения давление остается постоянным, а мы хорошо знаем, что так и должно быть, так как для сжижения нужно, чтобы давле­ние только превысило строго определенную и постоянную при дан­ной температуре упругость углекислого газа. Между прочим за время от начала до конца сжижения, происходит небольшое, равное 1,5 атм., увеличение давления, но эта аномалия должна быть отнесена за счет присутствия в углекислом газе следов воздуха, который, как мы это увидим при изучении сжижения газовых смесей должен оказывать именно такого рода влияние.

На кривой I отрезок ВО, соответствующий, как указы­валось выше, фазе сжижения, параллелен оси абсцисс, а это наглядно показывает, что во время этого периода происходит уменьшение объема, а давление не увеличивается.

При давлении около 50 атм., все при той же температуре в 13,1°С, весь наш газ сжижится; с этого момента очень значительные увели­чения давления смогут только очень немного уменьшить объем, так как жидкость становится при этой температуре очень мало сжимаемой; эту фазу показывает отрезок СП.

При 21°С характер процесса остается тем же. Здесь следует отметить, что отрезок А' В' более развернут, чем АВ, к, что для получения сжижения давление должно быть более повышенным, достигая величины равной, приблизительно, 60 атм. Как и в предыду­щем случае сжижение полностью происходит при постоянном давле­нии, но можно констатировать, что объем при окончании сжижения несколько больше, чем при 13,1°С, что вполне понятно, раз мы имеем дело с более теплой жидкостью.

При 25°С, 30°С наблюдения дают те же результаты: весь газ пере­ходит в жидкое состояние, но приходится по мере повышения тем­пературы применять все большие, и большие давления. Кроме того, горизонтальная часть кривой, представляющая собой значитель­ную величину в кривых, относящихся к 13,1°С и 21°С, все уменьшается и при 30°С становится совсем ничтожной; это показывает, что при этой температуре, в противоположность тому, что наблюдалось, на­пример, при 13°С, почти не происходит сокращения объема в момент сжижения и из этого можно заключить, что к моменту сжижения газ имеет почти ту же плотность, как и образующаяся из него жидкость. Если теперь предпринять новый ряд опытов, но на сей раз при температуре в 31,1°С, то характер- происходящих при этом явлений. в корне изменится, и как бы велико ни было то давление, которому мы подвергнем газ, мы не сумеем получить ни одной капли жид­кости. Строя на основании полученных при этих опытах данных кривую III, мы увидим, что вместо резко очерченных углов А1>0, получавшихся при более низких температурах, мы имеем почти плавную кривую. Эта кривая при давлении около 75 атм. становится почти горизонтальной, Происходящее в этой точке уменьшение объема хотя и требует увеличения давления, но это увеличение не является значительным. Таким образом, здесь наблюдается почти сжижение и казалось бы можно заключить, что конденсация неизбежна и что она, безусловно, наступит. Однако, эти надежды напрасны, так как эта сильная сжимаемость быстро проходит, и, как показывает характер кривой С’1>Е, которая с этого момента идет почти параллельно оси давлений, приходится оставить все мечты о сжижении, и дальнейшее увеличение давления будет только бесполезной затратой энергии.

Критическая точка и определяющие ее условия.

Итак, при 30°С наш газ полностью превратился в жидкость; при 31,1°С он с успехом противостоит всем нашим усилиям. Очевидно, между этими двумя пределами заключена точка, которую Эндрьюс так метко назвал критической точкой и которая для углекислого газа равна 30,9°С. Проделаем при помощи прибора Эндрьюса новую серию опытов, на этот раз при температуре 30,9°С. Мы заметим, что с иссле­дуемым нами телом, которое безусловно следует классифицировать как газ, произойдут все те явления, которые в свое время, Каньяр де ля Тур установил для жидкостей: углекислота, находящаяся под сильным сжатием в 70 атм. может при очень незначительных изме­нениях давления или температуры, сразу, и полностью перейти из жидкого состояния в газообразное. Что касается кривой, изображаю­щей явления, происходящие при 1~ 30,9°С то ее горизонтальная часть BС, которая, как мы уже указывали при 30°С становится очень незна­чительной, в данном случае представляет собой только точку, являю­щуюся точкой перегиба и соответствующую критическому объему. Касательная к кривой, проведенная в этой критической точке, гори­зонтальна и пересекает кривую. Вот все те интересные условия, которые определяют критиче­скую точку углекислоты.

Прежде всего, это температура, выше которой невозможно пре­вратить углекислоту в жидкость только одним давлением, независимо от величины последнего.

Следующее, это то, что при этой температуре материя без изме­нения объема переходит из газообразного состояния в жидкое или наоборот, и как следствие этого и в жидком, и в газообразном состоя­ниях плотность остается неизменной.

Наконец, этим самым Эндрьюс подтвердил те выводы, которые в свое время сделал Менделеев: неотличимость газообразного от жидкого состояний объясняет, почему теплота испарения, постепенно уменьшающаяся вместе с увеличением температуры, в кри­тической точке доходит до нуля, это показывает постепенное умень­шение, а затем и полное исчезновение силы сцепления частиц жид­кости между собой.

Классификация газов по их сжижаемости.

Исключительные по своему значению выводы, полученные Эндрьюсом впредь до более обширного исследования, могли быть отнесены только к одной углекислоте. Сам Эндрьюс задался целью доказать, что эти выводы могут быть приложены и к окиси азота, и к хлористому метилу. После этого, а также и на основании предшествовавших опытов Каньяр де ля Тура, становилась весьма вероятной общность этих выводов для всех газов, согласно предвидения Фарадея; в этом, повидимому, секрет сжижения “постоянных” газов. Последующие события, как мы уже говорили, показали справед­ливость этого мнения. Из всего сказанного следует, что газы с точки зрения их сжижае­мости могут быть разделены на две категории.

1. Газы, критические температуры коих выше нормальной тем­пературы в нашем климате; каковы углекислота, критическая темпе­ратура которой равна 31°С; ацетилен t = 37°С; хлор t = 140°С; сернистая кислота t = 155°С и т. д. Очевидно, что в обычных условиях эти газы находятся при температуре, которая ниже их критической, и нет ничего удивительного в -том, что при первых же попытках физиков прошлого века, Фарадея, Тилорье и других, им удалось сжижить эти фазы, применяя для этого только одно давление, достаточное для каждого отдельного случая.

2. Газы, критические температуры коих -ниже обычной темпе­ратуры окружающей нас среды. Эти газы при обыкновенных для на­шей планеты температурных условиях, всегда имеют температуру, .которая выше их критической температуры. В силу этого для их приведения в жидкое состояние, действия только одного давления будет всегда недостаточно и для их сжижения необходимо будет прибег­нуть к помощи предварительного энергичного охлаждения ниже их критической температуры. Очевидно, газы, которым столь неосмотри­тельно была дана кличка “постоянных” принадлежат к этой категории. Эти газы характеризуются такими чрезвычайно низкими критическими температурами, о которых еще несколько десятилетий тому назад не имели даже представления.

Было установлено, что для кислорода, критическая температура равна -8°С (вспомним, что Фарадей производил свои опыты при температуре только немного более высокой при -110°С, для окиси углерода -136°С, азота -146°С, водорода -242°С и у гелия критическая температура равна поистине фантастической цифре в -268°С, вблизи от той предельной температуры в -273°С, которую физики на основании научных концепций определили, как крайний предел возможных тем­ператур, и которую они вследствие этого назвали абсолютным нулем. Таким образом, с очевидностью выясняется неизбежность участия чрезвычайно интенсивного охлаждения в сжижении перечисленных газов, а также становятся понятными причины неудач опытов тех физиков, которые возлагали свои надежды, главным образом, на без­граничное увеличение давления. Следует отметить, что как только достигнуто охлаждение до критической температуры, постоянные газы начинают сжижаться под влиянием, сравнительно, незначительных давлений; так, для азота это давление равно 33 атм., для кислорода - 50 атм., для водорода - 20 атм. и для гелия - 2,75 атм.; если же газы охлаждены ниже критической температуры, то и эти скромные давления будут еще меньше. Таким образом, мы видим, что в деле сжижения газов, как и во всех дру­гих случаях надо было только знать, как взяться за дело и все те громадные давления, которые применялись учеными прошлого века при всяком случае, для данного дела были совершенно излишни.

Принадлежность газов к той или другой из двух указанных кате­горий целиком основана на той средней температуре, которую современные условия солнечной системы создали на нашей планете. Если бы мы жили на какой-нибудь из этих обледенелых планет, которые блуждают в пространствах нашей солнечной системы и на которых гос­подствуют температуры от -200°С до -250°С, нам не пришлось бы класси­фицировать кислород и азот, как постоянные газы, так как при этих: температурах эти газы текли бы в виде жидкости в наших ручьях или образовали бы, как об этом говорит Лавуазье; “горы и скалы чрезвычайно плотного строения”. И только водород и гелий, и при этих условиях оставаясь в газообразном состоянии, для превращения в жидкость ожидали бы настойчивости своего Эндрьюса и изобре­тательности своего Кальете.

Классификация Эндрьюса.

Необходимо еще отметить, что Эндрьюс, пораженный чрезвычайным значением критической температуры газов, предложил очень логичное определение для газов и паров. По его определению газами в собственном смысле этого слова, являются ве­щества, при такой температуре, при которой они не переходят в жид­кость под влиянием давления; все эти вещества находятся при темпера­туре, которая выше их критической. Пары же могут переходить в жидкое состояние под влиянием только одного давления: другими словами это вещества, имеющие температуру ниже их критической. Следствием этого-определения является то, что единственными действительными газами являются постоянные газы. Все же остальные газы являются парами. Несмотря на всю логичность этого определения, мы не можем его принять, так как оно заключает в себе то неудобство, что проти­воречит всем нашим привычным понятиям, классифицируя, как пары большинство тел, которые мы считаем газами, например, углекислоту, сернистый ангидрид и т. п. Поэтому мы сохраним, как тоже очень логичное то определение, которое мы дали выше, и которое заключается в том, что понятия: газ и ненасыщенный пар являются синонимами. Что же касается названия “постоянный газ”, то мы его сохраним, как термин, но, конечно, не в том смысле, который он имел раньше.

Сжижение постоянных газов.

Опыты Кальете.

После выводов Эндрьюса, цель казалась близ­кой. Однако, протекло еще восемь лет без ощутительных успехов. Но вот в понедельник 24 декабря 1877 г. произошел факт беспри­мерный в истории наук. Академия Наук, в которой в этот день происходило заседание, была уведомлена о том, что решение великой проблемы сжижения постоянных газов, проблемы столь давно изучаемой и на разрешение, которой было затрачено столько бесплодных усилий, наконец, най­дено и является не случайным результатом туманных и неопределен­ных методов, а плодом настойчивых исканий двух друг другу неизвестных экспериментаторов, пришедших к одним и тем же ре­зультатам двумя совершенно различными путями. Один из этих экспериментаторов был француз Луи Кальете. Сын горнозаводчика в Шатильоне на Сене.

Аппарат Кальете.

Кальете начал с того, что скомбинировал для своих опытов очень удобный аппарат; последний был почти идентичен аппарату Эндрьюса, повторяя, вместе с тем то расположение приборов, ко­торое Колладон за пятьдесят лет до него применил в упоминав­шихся нами опытах. Ртуть, заключенная в стальном сосуде В при помощи гидравлического насоса, может быть вытеснена в стеклянный резер­вуар Т, в котором находится изучаемый газ. Этот резервуар имеет продолжение вне стального сосуда в виде узкой трубки Т: Когда да­вление достигает достаточной величины, ртуть вытесняет газ в верхнюю часть трубки Т, выдерживающую, высокое давление в силу незна­чительности своего внутреннего сечения. Благодаря объему расширенной части стеклянного сосуда части стеклянного сосуда, имеется возможность, оперировать с довольно значительной массой газа и все интересные фазы явления протекают на глазах наблюдателя. При помощи этого столь простого аппарата, четыре из известных в то время пяти “постоянных” газов были окончательно освобождены от этого абсурдного определения и даже были замечены не оставляю­щие сомнений признаки сжижения водорода. Помимо своего огромного научного значения этот факт не лишен известной поучительности. Несколько ранее нами было указано, что работы Эндрьюса наметили путь, для последующих изысканий и что после них для сжижения постоянных газов, не оставалось ничего другого, как сле­дуя заветам Фарадея, подвергать газы действию более низких тем­ператур, чем те, которые достигались. Даже в том аппарате, с по­мощью которого человеческой мысли удалось одержать эту реши­тельную победу, ничего не было осуществлено для использования интенсивного охлаждения изучаемого газа; наоборот, все было сде­лано для того, чтобы воспрепятствовать подобному охлаждению, так как ртуть, тело столь легко замерзающее, в этом аппарате, все время находилась в непосредственном контакте с изучаемым газом, нам остается добавить, что Кальете не пренебрег опытами Эндрьюса, но в начале своих исследований, которые он намечал в чрезвычайно скромных масштабах, вовсе не предполагал производить опытов по сжижению постоянных газов. Одной из его задач, было повторение опытов с одним и тем же количеством газа. Для этого Кальете снабдил свой аппарат краном, с помощью которого можно было выпускать накачанную гидравлическим насосом воду, уничтожая этим самым давление и при­водя таким образом газ к исходным условиям; это дополнение было удачно задумано, и результаты его превзошли надежды изобретателя. Вооруженный таким образом Кальете начал свои работы. Первым газом, с которым он начал производить свои опыты, был ацетилен. Этот оригинальный газ, открытый в 1836 г., сравнительно легко поддавался сжижению, так как его критическая температура равна 37°С, и при этой температуре давления в 68 атм. достаточно для его сжижения. Работа с этим газом являлась для Кальете скорее подготовительной работой, чем серьезным опытом. Однако во время этой работы произошло явление, которое должно было предрешить успешный исход всего дела. При проведении одного из опытов, когда давление еще не достигло величины, достаточной для сжижения газа, нечаянно был открыт спускной кран; при чем Кальете успел заметить происшедшее в этот момент помутнение содержимого трубки. Это явление не поразило экспериментатора; он и не подумал о том, что ему пришлось быть свидетелем очень значительного, по своей важности, явления. Появление в трубке туманности он объяс­нил простой конденсацией влаги или других примесей, содержащихся в газе. Поверхностный наблюдатель удовлетворился бы этим объясне­нием и, не задерживаясь, перешел бы к следующим опытам. Как часты такие случаи в научных изысканиях! Сколько раз замысловатое объяснение, а чего только нельзя объяснить при некоторой доле воображения, заставляло проходить мимо великих открытий встре­чавшихся по пути! Кальете решил, что он сможет удовлетвориться найденным им объяснением лишь после того, как докажет его пра­вильность. И так как ему казалось, что примеси являются причиной замеченного им помутнения содержимого трубки, то он решил про­верить себя и повторить опыт с ацетиленом, но на этот раз тщательно очищенным и осушенным, считая, что при этом условии поразившее его явление уже не повторится. Лаборатория Вертело снабдила его таким газом, опыт был снова повторен, и туманность появилась снова. Новый опыт был проделан с закисью азота: тот же результат. Дело становилось серьезным. Кальете принужден был согласиться с тем, что, несомненно, он был свидетелем сжижения газа.

Тогда он сообразил, что здесь очевидно осуществляется явление, хорошо известное в термодинамике, хотя он был очень далек от мысли, что оно могло произойти при подобном опыте. В действительности, внезапное расширение газа, при открывании вентиля должно вызвать теоретически очень интенсивное охлаждение, для вычисления коего в термодинамике уже с давних пор применяют формулу Лапласа. В дальнейшем нам представится много случаев остановить на этом свое внимание. Но как предположить хоть на мгновение, что подобное охлаждение действительно могло быть полу­чено внутри капиллярной трубки, при столь ничтожной массе газа, нагреваемого со всех сторон стенками трубки? И должна была произойти эта принесшая победу случайность, чтобы доказать наиболее явственным способом, что при исключитель­ной внезапности и плохой теплопроводности газа, влияние стенок является незначительным и может вновь повысить температуру в цен­тральной части трубки только по истечении нескольких секунд, вполне достаточных для того, чтобы наблюдатель мог проникнуть в тайну происходящего феномена. Мы можем теперь восстановить весь ход рассуждений Кальете. Так как описанный феномен позволяет очень легко осуществлять столь интенсивные охлаждения, то не возможно ли будет, увели­чивая давление и действуя не только на скромные газы первой ка­тегории, но даже и на постоянные газы, достигнуть температур еще более низких, чем их критические температуру? Аппарат давал возможность легко применять давления, превы­шающие 300 атм.; опыт манил своей соблазнительной легкостью. После нескольких предварительных испытаний с метаном опыт был осуще­ствлен 2 декабря 1877 года. Приводимое ниже письмо, адресованное Сен-Клер Девилю, ободрявшему своими советами начинающего исследователя, которому он благоволил, подводит итоги этого знаменательного опыта в выра­жениях, скромность которых так же, как и их научная осторожность, еще более возвышают заслугу экспериментатора.

Опыт Пикте.

Пикте, выдающийся женевский ученый-физик, подошел к решению задачи очень интересным, и притом совершенно отличным от описанного методом, точно также в значительной сте­пени навеянным работами Эндрьуса. По Фарадею так же, как и по Эндрьюсу, постоянные газы могут быть сжижены только при воздействии давления при одновременном влиянии достаточного холода. Все усилия должны были быть направлены к достижению этого холода.

Принцип, на котором, преследуя, эту цель, базировался Пикте, заключался в каскадном охлаждении, осуществляемым последовательном понижением температуры, в каждом каскаде посредством жидких газов со все более и более низкой температурой кипения. При этом каждый из применяемых газов, благодаря своей более низкой точке кипения дает возможность сжижитъ без особых трудностей дующий газ.

Аппарат Пикте.

Получаемая под давлением в 3 атм. жидкая сернистая кислота направлялась для испарения “при пониженном давлении при -65°С вокруг трубчатой системы, в которой углекислота конденсировалась при этой температуре при сравнительно незначительном давлении. Эта жидкая углекислота, в свою очередь, для испарения при пониженном давлении направлялась во второй сосуд, в котором она создавала, по словам экспериментатора, температуру в -130°С и в котором она вызывала сжижение кислорода, непосредственно получавшегося под давлением свыше 200 атм. при разложении в стальном баллоне хлорноватокалиевой соли, нагреванием до красного каления. При открывании игольчатого крана, прикрывающего проход в ту часть кислородного коллектора, который погружен в углекислоту, Пикте наблюдал, что газ выры­вался в виде прозрачной струи, в центре которой находился белый концентрический цилиндр, принятый им за твердый кислород, Осно­вываясь на этом блестящем опыте, он счел возможным вывести за­ключение, что упругость паров кислорода при -130 °С С равна приблизи­тельно 273 атм.

В своих последующих опытах Пикте пытался подвергнуть сжи­жению водород, который он подобно Фарадею, получал под давле­нием при действии калия на муравьинокислый калий. Пикте, оче­видно, находившемуся под влиянием современных ему веяний химии, считавшей в то время водород металлом, показалось, что он видел этот газ, вышедшим из его аппарата в форме непрозрачной струи, с характерной сине-стальной окраской, падавшей на пол с треском, напоминающим падение металлической дроби!

Было бы, безусловно, несправедливым отказать Пикте в приз­нании его великих заслуг, которые он стяжал этими блестящими опы­тами, и чрезвычайных экспериментаторских способностей, позволив­ших ему довести свои работы до благополучного конца. Наконец, по собственным словам экспериментатора, полученная им жидкость была сине-стального цвета, а современная наука точно установила, что жидкий водород бесцветен, исключительно легок и очень подвижен. Наука не могла удовлетвориться цифровыми определениями, слишком поспешно выведенными на основании этих, безусловно заме­чательных, но без сомнения, недостаточно точных опытов Пикте.

Таким образом, как это отметил Ж а м э н в самом докладе Ака­демии 24 декабря 1877 г., задача не была полностью разрешена; ведь оставалось еще собрать воедино в более осязательной форме и на бо­лее продолжительное время те мельчайшие капельки, которые были обнаружены Кальете и Пикте, и тем самым получить возможность спокойно изучить загадочную жидкость.

Теория теплоты.

Английский врач и физик А. Кроуфорд (в то время такое сочетание было вполне обычным) писал в 1799 г.: "Каждое тело содержит в себе известное количество тепла. Если бы оно могло отдать ее, то само охладилось бы до абсолютного нуля. По моим подсчетам эта температура лежит ниже точки замерзания воды на 1532°. Если даже учесть, что Кроуфорд пользовался шкалой Фаренгейта, полученная им цифра все же очень далека от действительного значения абсолютного нуля (-459,65 F). Позже Д. Дальтон в своей "Философии химии" предложил даже цифру -3000°. Можно назвать еще несколько прогнозов положения абсолютного нуля температур, сделанных весьма известными учеными. Так, Лавуазье и Лаплас дали в своей знаменитой работе о тепле два значения: 1500— 3000СС ниже точки таяния льда и затем 600°С.

Сторонники корпускулярной теории теплоты тоже не сомневались в существовании абсолютного нуля температур. Петербургский академик Г. Крафт писал: "Тепло и жар, по мнению всех естествословцев, состоит в нарочито скором и смешанном движении малейших частиц между собою, которое тем скорее бывает, чем больший градус жара производит. Ежели же сие внутреннее движение начнет умаляться, что рождается стужей, которая тогда в самый большой градус приходит когда сие движение совершенно перестанет и тончайшие частицы между собой в покой приведены будут".

Того же мнения придерживался и М. В. Ломоносов. На основе своего варианта корпускулярной теории, изложенной в работе "О причинах тепла и стужи" (1744 г.), он пришел к выводу, что по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц".

Но что можно ожидать на пути к "последней ступени холода" в этой неизвестной области "terra frigidus incognita", какие новые открытия она сулит, можно предполагать, только опираясь на известные в то время физические явления. Основное внимание было поэтому сосредоточено на изменениях агрегатного состояния вещества. В то время было известно только одно вещество, могущее быть как в твердом, так в жидком и газообразном состоянии, - вода.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Современные направления развития физической культуры, спорта и туризма

    Документ
    Редакционная коллегия: Е. А. Шуняева, канд пед наук, доцент (отв. ред.); Е. Е. Елаева, канд. мед. наук, доцен; Е. А. Якимова, канд. биол. наук, доцент
  2. История земли и жизни на ней

    Документ
    1-а (дополнительная). Несколько слов о методологии науки. Принцип актуализма, «Бритва Оккама» и презумпции. Проверка теории: верификации и фальсификации.
  3. Йог Рамачарака "Пути достижения индийских йогов"

    Документ
    Мы полагаем, что нам нет надобности повторять объяснения, составившие существенную часть книги «Основы миросозерцания индийских йогов», и что мы можем прямо приступить к нашему предмету, надеясь, что читатели уже достаточно подготовлены,
  4. Современные знания — в жизнь

    Документ
    Редакционный совет: Мищенко В.А. (председатель), Зиновьев Ю.И., Агеева Л.А., Ахвердова Е.И., Олейник Е.Ю., Коновалов И.М., Мартынов В.Ф., Виланский Ю.
  5. К истории вопроса. Современное состояние проблемы

    Документ
    Впервые нервную анорексию описал R. Morton в 1689 г. под названием «нервная чахотка», хотя упоминание об этой патологии встречалось и раньше. В частности, в трудах Авиценны от 1155 г.

Другие похожие документы..