Беседы о физике и технике

Рассмотрим несколько подробнее теоретические предпосылки указанного эффекта, возможности получения низких температур и сжижения газов (прежде всего гелия).

Пусть в адиабатном изолированном цилиндре (исключающем теплообмен с окружающей средой) находится идеальный газ (рис. 12).

Рис. 12. В адиабатно изолированном цилиндре газ пропускают через пористую перегородку из одной области в другую

Этот газ через пористую перегородку пропускают из области с большим давлением р₁ в область с меньшим давлением р₂ (из-за трения в этой перегородке поток не испытывает завихрений, и газ по обе стороны от нее однороден). При таком расширении идеального газа с перепадом давлений (р₁ > р₂) изменения температуры происходить не должно, так как в этом случае идеальный газ не совершает работы.

НЕ МОЖЕТ БЫТЬ! ВЕДЬ ОБЪЕМ-ТО ИЗМЕНИЛСЯ ОТ V₁ ДО V₂, А РАБОТА ГАЗА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КАК W = рΔW?

И все же никакого противоречия здесь нет. Ведь идеальный газ — газ, в котором энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией этих молекул, — существует лишь в нашем воображении. Естественно, если уж молекулы идеального газа не взаимодействовали друг с другом до расширения, то после расширения они не взаимодействуют и подавно (ведь расстояние между молекулами увеличилось еще больше).

Так как процесс адиабатный, то система не получает теплоты извне и не отдает ее через стенки цилиндра (Q = 0). Из первого начала термодинамики Q = ΔU + W следует, что при Q = 0 W = 0, т. е. ΔU = C_VΔT = 0. Так как C_V не равно 0, то ΔT = 0, т. е. изменения температуры в идеальном газе не происходит.

Теперь поместим в цилиндр какой-либо реальный газ. В этом случае адиабатное расширение газа приведет к изменению температуры, так как реальные молекулы всегда взаимодействуют друг с другом и при расширении газа происходит изменение его внутренней энергии.

Это явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении и носит название эффекта Джоуля — Томсона.

Теория и практика показали, что для реальных газов:

а) если силы взаимодействия между молекулами малы (водород, гелий и другие инертные газы), то газ нагревается (ΔТ > 0);

б) если силы взаимодействия между молекулами велики (большинство газов), то газ охлаждается (ΔТ < 0);

в) при некоторой температуре Т_i реального газа, при его расширении он ведет себя как идеальный, т. е. не меняет своей температуры (ΔT = 0). Эта температура и носит название температуры инверсии. При ней эффект Джоуля — Томсона меняет знак: ниже температуры инверсии (Т_i) водород и гелий охлаждаются (положительный эффект), выше Т_i — эти газы нагреваются (отрицательный эффект).

Подчеркнем еще раз: для того чтобы по методу Джоуля — Томсона охладить гелий и превратить его в жидкость, его температуру необходимо предварительно довести до значения, меньшего Т_i, что и делают с помощью кипящего водорода.

Геометрическое место точек инверсии для данного вещества на диаграмме его состояния называют инверсионной или λ-кривой и температуру инверсии обычно называют λ-точкой.

ИНТЕРЕСНО, КАКИМИ СВОЙСТВАМИ ОБЛАДАЕТ ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ?

Исследования жидкого гелия при сверхнизких температурах обнаружили, что он не похож ни на какую другую жидкость.

В чем состоит эта непохожесть? Давайте сначала вспомним, какие общие свойства имеют жидкости, например вода.

Обратим внимание на так называемую фазовую диаграмму воды (рис. 13). На ней изображены три кривые, разделяющие три фазы (три состояния) воды. Кривые пересекаются в одной точке — так называемой тройной точке воды. В этой точке граничат сразу три фазы: твердая, жидкая и газообразная, и все три можно наблюдать одновременно.

Рис. 13. Диаграмма состояния воды

От тройной точки вправо и вверх идет кривая, показывающая зависимость давления насыщенных паров от температуры — линия жидкость — пар. Следовательно, если при заданной температуре давление р > р_нас, то мы имеем жидкость, при р < р_нас — газ.

При р = р_нас наблюдается расслоение фаз — внизу собирается вода, а над ней находится пар. При повышении температуры давление пара и его плотность растут, а плотность жидкости падает. В конце концов плотности пара и жидкости уравновесятся в так называемой критической точке при Т_кр и р_кр. Следовательно, как бы при Т > Т_кр ни сжимали газ, жидкость образоваться не может. При О °С вода замерзает и линия I (жидкость — пар) переходит в линию II — твердое тело (лед) — пар, а при Т > 0 °C переходит в линию III — твердое тело — жидкость, разграничивая эти фазы. При Т > Т_кр она разделяет области твердое тело — газ. Здесь нет критической точки, так как твердое тело существенно отличается от газа порядком, определяемым расположением атомов в кристаллической решетке.

Тройная точка есть у всех веществ. Если откачивать непрерывно пары жидкости, то температура ее будет падать и жидкость наконец затвердеет.

ВСЕ ЭТО ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО, НО ПРИЧЕМ ТУТ ГЕЛИЙ?

А притом, что гелий — это исключение: у него нет тройной точки. Если откачивать пары жидкого гелия, то обнаружится необычная картина. При атмосферном давлении и температуре 4,2 К жидкий гелий начинает кипеть. При дальнейшей откачке типичное кипение становится более интенсивным и вдруг при 2,17 К и давлении ~ 5∙10³ Па (40 мм рт. ст.) кипение внезапно прекращается. При дальнейшей откачке обнаруживается, что даже при температуре, отличающейся от Т = 0 К на несколько тысячных кельвина, получить твердый гелий не удается. Это означает, что у гелия тройной точки нет.

На диаграмме состояния гелия (рис. 14) найдем линию жидкость — пар и точку, в которой прекратилось кипение гелия (λ-точка).

Рис. 14. Диаграмма состояния гелия (по оси ординат для наглядности масштаб в верхней части рисунка сжат)

Исследования показали, что, несмотря на отсутствие у гелия тройной точки, твердый гелий все же существует.

Если к жидкому гелию приложить давление около 3 МПа (~ 30 атм), он кристаллизуется. Это обстоятельство и нашло отражение на диаграмме состояния в виде кривой жидкость — твердое тело, отделяющей твердую фазу гелия от жидкой.

Дальнейшие исследования выявили ряд замечательных свойств гелия, а также других веществ при сверхнизких температурах.

ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ С ГЕЛИЕМ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ НИЖЕ 2,17 К?

Оказывается, при температурах ниже 2,17 К жидкий гелий приобретает новые свойства — он становится единственной известной нам так называемой квантовой жидкостью. Принято говорить, что при этой температуре гелий I (обычный гелий) переходит в гелий II.

На диаграмме состояния область существования гелия I отделяется от области гелия II λ-линией. Все жидкости в отличие от гелия затвердевают задолго до того, как в них начнут проявляться квантовые свойства. Только гелий II остается жидким, как мы выяснили ранее, даже при температурах, близких к 0 К (как известно, температуры 0 К никакими способами достичь невозможно).