Вблизи абсолютного нуля

Ученые, которые изучают остатки далекого прошлого, называются археологами.

Древние города, поселки, постройки, даже костры, вокруг которых сидели когда-то наши предки, и те интересны археологам.

Роются они в земле, вытаскивают оттуда черепки, осколки, остатки оружия, всевозможную утварь и так далее.

В числе всяческой посуды им иногда попадаются кувшины из очень пористого материала. Стоит такой кувшин весь в поту, как будто ему жарко. А может быть, ему и в самом деле жарко? Зато вода в таком кувшине всегда будет прохладной. Кувшин не случайно изготовляли из очень пористой глины.

Древние народы были не менее сообразительны, чем мы. Раскопки происходили в жарких странах. Там очень важно, чтобы вода, налитая в кувшин, не нагревалась. Кому интересно пить теплую воду! Для этой цели и делали пористые кувшины. Вода постепенно испаряется через поры. Покидают жидкость самые активные молекулы, самые быстрые. Жидкость, естественно, остывает.

Испарение — один из самых верных способов остудить жидкость.

Каждый знает, что на горячий чай надо подуть, тогда он быстро остынет.

Так что, как видите, древние народы все это прекрасно учли, хотя и не знали физики. Вода в таких пористых кувшинах может стоять долго. И все время она будет прохладной, приятной на вкус.

Летом любой из нас с удовольствием поливает себя холодной водой. Хорошо, прохладно! Что происходит? Вода испаряется, понижается температура тела. Ведь для испарения воды нужно тепло, вода забирает его и от нашего тела. Поэтому мы и ощущаем прохладу.

Когда жидкость испаряется, ее внутренняя энергия тоже уменьшается. Ведь молекулы отрываются от жидкости. Для этого нужна работа. И теряет жидкость на эту работу часть своих запасов энергии.

С холодильником теперь знакомы все. Работает там электрический ток, а «подсобным рабочим» является особая жидкость — фреон, циркулирующая по трубкам. Она замечательна тем, что очень легко и охотно испаряется, охлаждая все вокруг.

Собственно говоря, фреон совершает внутри холодильника круговое путешествие, испытывая в каждом круге по два превращения. Сначала он существует в виде газа. Газ с помощью компрессора сжимают, и он превращается в жидкость. Жидкий фреон перегоняют в металлическую трубочку. Давление воздуха там маленькое. А температура кипения жидкости очень сильно зависит от давления воздуха. Чем оно меньше, тем легче молекулам покидать жидкость. Вот почему попавший в такие условия фреон начинает лихорадочно кипеть — испаряться.

Температура сразу падает до минус 32 градусов. Испарившиеся молекулы фреона стремительно поднимаются вверх. Но тут же их вольной жизни приходит конец. Газ снова попадает в компрессор и опять становится жидкостью, чтобы повторить все тот же охладительный цикл много раз.

Так электрический ток с помощью фреона совершает работу — беспрерывно охлаждает внутренность холодильного шкафа.

Не будет тока — остановится компрессор, прекратятся круговые превращения фреона — холодильник станет неудобным шкафом для посуды.

Температура минус 32 градуса, конечно, получается там, где испаряется фреон. Ближе к стенкам и двери она намного выше, ведь там теплее, в квартирном холодильнике — от минус 2 до плюс 6 градусов. Поэтому разные продукты кладут в различные места холодильника. Одним нужно место похолоднее, а другим — не очень холодное. В самый холод попадает мороженое. И оно получается твердое как камень.

Холодильники промышленные, которые работают на больших мясокомбинатах, устроены примерно так же.

Значит, жидкость, испаряясь, совершает внутреннюю работу. Поэтому она и остывает. А когда испарение идет сквозь пористый кувшин, то работа получается еще большей. Поэтому охлаждается вода в этом случае очень сильно.

На этом мы простимся с жидкостями. Теперь уже наш путь в страну сверххолода будет связан только с газами.

Это пар или газ?

Жидкость испаряется. При любой температуре самые быстрые частички — молекулы — помаленьку покидают ее.

Появляется пар. Из газообразного состояния вещество переходит в жидкое, и наоборот.

Часто испаряется не вся жидкость целиком. В какое-то время процесс останавливается. Почему? Образуется насыщенный пар, говорят ученые. Ведь одновременно с испарением, когда молекулы жидкости покидают ее, чтобы начать вольную жизнь, другие молекулы конденсируются, попадают из газа в жидкость. Сначала молекул «свободолюбивых», конечно, больше. А потом их число может сравняться. Вот и получится насыщенный пар. Если температуру не изменять, то он таким и останется. Вот, скажем, в той же комнате распространился водяной пар. Заполнил комнату, стал насыщенным. Что это значит? А вот что.

Одни молекулы испаряются, а другие, наоборот, попадают в жидкость. Если пар насыщенный, то в среднем тех и других столько же.

Значит, число испарившихся молекул, тех, что ведут свободную жизнь в комнате, витают в воздухе, в каждом кубическом сантиметре теперь в среднем такое же. Вот если мы нагреем комнату, дело тотчас же изменится. Жидкость начнет испаряться сильнее. И пара в воздухе станет больше. Хватит воды в комнате — останется пар насыщенным. Только жидкости, то есть воды, станет меньше. Охладим воздух, температура в комнате упадет — часть пара превратится в жидкость, снова станет водой.

Ну, а если вся жидкость обернется паром, то перед нами будет самый настоящий газ.

В свое время ученые много спорили о том, что же такое пар — газ это или нет.

Про воду все понимали, потому что, как говорится, секрет был известен. Каждый ведь видел, как вода обращается в лед или кипит, как лед тает.

А вот газы воздуха никто еще тогда жидкими не видел.

С водой все получилось гладко. Надо было изменить температуру, чтобы вода преобразовалась в лед или пар. Потом ученые сумели сконденсировать пар давлением. Увеличили давление — и заблестели капли воды там, где за минуту до этого и проживал бесцветный пар. А вот водород, кислород, азот никакими способами не удавалось обратить в жидкость. Может быть, этого нельзя сделать вообще? Многие так и думали. Великий английский физик Майкл Фарадей первый высказал мысль, что пары и газы — одно и то же.

Он взял известный уже тогда тяжелый отравляющий газ хлор. Сначала Фарадей подверг газ большому давлению. Не помогло. Газ оставался газом. Тогда ученый одновременно стал замораживать сосуд, где все это происходило. И вот под напором высокого давления и низкой температуры хлор сдался.

Так впервые ученые познакомились с жидкостью, которая при нормальных условиях не могла бы существовать. Появился жидкий хлор, и наконец-то стало ясно, что пары и газы — два названия одного и того же состояния вещества. Так и газ хлор можно было бы теперь назвать паром жидкого хлора.

За хлором в ход пошли и другие вещества.

Ученые начали по очереди сжимать все газы. Один за другим сдавались они, пока не осталось шесть самых упорных: водород, кислород, азот, болотный газ — метан, окись азота и окись углерода — угарный газ. Их сильно охлаждали, сжимали. Ничего не помогало. Может быть, эти газы вообще нельзя получить в жидком виде?

Много споров возникло и по этому поводу.

Решил проблему великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев.

Для каждого вещества, заявил он, существует своя собственная критическая температура. Называется она так потому, что при температуре высшей никакими способами, никаким давлением жидкость из газа не получить.

Опыты подтвердили это предположение Менделеева.

Почему он так рассуждал, в чем тут дело?

Можно сказать, что «каждый газ живет по-своему». Молекулы различных газов различны. И при одной и той же температуре у одного газа молекулы движутся быстрее, у другого — медленнее.