Фізика низьких температур

Получение низких температур

Существенного уменьшения температуры можно достигнуть разными способами. Но идея всех способов одна и та же: надо заставить тело, которое мы хотим охладить, затратить свою внутреннюю энергию.

Как же это сделать? Один из способов — заставить жидкость кипеть, не подводя тепла извне. Для этого, как мы знаем, надо уменьшить давление — свести его к значению упругости пара. Тепло, расходуемое на кипение, будет заимствовано из жидкости и температура жидкости и пара, а вместе с ней и упругость пара будут падать. Поэтому, чтобы кипение не прекращалось и происходило побыстрее, из сосуда с жидкостью надо непрерывно откачивать воздух.

Однако падению температуры при этом процессе наступает предел: упругость пара становится в конце концов совершенно незначительной, и нужное давление не смогут создать даже самые сильные откачивающие насосы.

Для того чтобы продолжить понижение температуры, можно, охлаждая газ полученной жидкостью, превратить и его в жидкость с более низкой температурой кипения.

Теперь процесс откачки можно повторить со вторым , веществом и таким образом получить более низкие температуры. В случае необходимости такой «каскадный» метод получения низких температур можно продлить.

Именно таким образом и поступали в конце прошлого века; сжижение газов производили ступенями: последовательно превращали в жидкость этилен, кислород, азот, водород — вещества с температурами кипения -103, -183, -196 и — 253°С. Располагая жидким водородом, можно получить и самую низкокипящую жидкость — гелий (-269°С). Сосед «слева» помогал получить соседа «справа».

Каскадному методу охлаждения без малого сто лет. В 1877 г. этим методом был получен жидкий воздух.

В 1884-1885 гг. впервые был получен жидкий водород. Наконец, еще через двадцать лет была взята последняя крепость: в 1908 г. Камерлинг-Оннесом в городе Лейдене в Голландии был превращен в жидкость гелий — вещество с самой низкой критической температурой

Недавно был отмечен 70-летний юбилей этого важного научного достижения

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 азот, кислород и гелий 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.

В различных областях техники требуется вести работу при температуре жидкого воздуха. 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 К, и в особенности «гелиевые» температуры. Самая низкая температура, получающаяся при откачке жидкого гелия, это 0,7 К.

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 получают способами, не похожими на те, что мы описали выше.

В последние годы физика низких температур породила специальную отрасль промышленности, занятую производством аппаратуры, позволяющей поддерживать при температуре, близкой к абсолютному нулю, большие объемы; разработаны силовые кабели, токопроводящие шины которых работают при температуре менее 10 К.

Охлаждение – процесс отъёма тепла

Чтобы сделать какой-либо предмет холодным, надо всего лишь отнять у него тепло, передав его излишек другому предмету или среде. Так, зимой достаточно поставить слишком горячий чай на открытый балкон, чтобы через несколько минут он остыл, отдав своё тепло окружающей среде. Летом мы, наоборот, охлаждаем свой напиток, бросая в стакан кусочки льда, которые постепенно тают, забирая лишнее тепло у сока или лимонада.

По принципу отъёма излишков тепла работают все современные холодильные установки. Изъятие тепловой энергии происходит за счёт испарения хладагента – специального вещества, которое активно испаряется при низкой температуре. Атомы хладагента отбирают тепловую энергию у воздуха, находящегося в камере холодильника, а тот, в свою очередь, охлаждает стенки камеры и лежащие на полках продукты.

Что говорят учебники физики?

Если открыть учебник физики, то именно это в нём и написано: холод – это состояние сравнительно низкой температуры, выражаемое в субъективном ощущении либо сравнении с более тёплым состоянием окружающей среды, предмета, субстанции. Т.е., говоря простыми словами, это недостаток тепла. На самом деле, какое-то количество тепла присутствует практически всегда, но если оно нам кажется недостаточным, то мы называем это состояние холодом.
В физике существует понятие абсолютного нуля, при котором вещества лишены тепловой энергии. Абсолютный нуль соответствует –273,15 градусам Цельсия, и в природе он возможен лишь в космическом вакууме и при полном отсутствии света или других излучений. В этом состоянии хаотическое движение элементарных частиц, свойственное всем без исключения веществам, полностью прекращается. Стоит веществу, находящемуся в состоянии полного покоя, получить хотя бы один квант тепловой энергии, движение частиц возобновляется.

Чем выше температура нагрева вещества, тем активнее и энергичнее движутся составляющие его частицы. Как известно, именно с этим связан процесс испарения: наиболее активные и подвижные молекулы отрываются от основной массы и в дальнейшем перемещаются уже среди молекул воздуха или иного газа.

Если же лишить частицы тепловой энергии, они становятся значительно менее подвижными. Внешне это выражается в выпадении капель конденсата или намерзании кристалликов инея на твёрдых поверхностях.

Получение низких температур

Для по­лу­че­ния и под­дер­жа­ния Н. т. обыч­но ис­поль­зу­ют сжи­жен­ные га­зы (хлад­аген­ты). В Дьюа­ра со­су­де, со­дер­жа­щем сжи­жен­ный газ, под­дер­жи­ва­ет­ся его по­стоян­ная темп-ра ки­пе­ния $T_{кип}$ при нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии. В ка­че­ст­ве хла­да­ген­тов ис­поль­зу­ют: воз­дух ($T_{кип}≈80$ К), азот ($T_{кип}=77,4$ К), не­он ($T_{кип}= 27,1$ К), во­до­род ($T_{кип}= 20,4$ К), ге­лий ($T_{кип}=4,2$ К). Жид­кие га­зы по­лу­ча­ют в спец. ус­та­нов­ках – ожи­жи­те­лях, в ко­то­рых при рас­ши­ре­нии силь­но сжа­то­го га­за до обыч­но­го дав­ле­ния про­ис­хо­дят его ох­ла­ж­де­ние и кон­ден­са­ция (см. Сжи­же­ние га­зов, Джо­уля – Том­со­на эф­фект). Сжи­жен­ные га­зы мо­гут со­хра­нять­ся дос­та­точ­но дол­го в со­су­дах Дьюа­ра и крио­ста­тах с хо­ро­шей те­п­ло­изо­ля­ци­ей. От­ка­чи­вая из гер­ме­ти­зи­ро­ван­но­го со­су­да ис­па­ряю­щий­ся газ, мож­но умень­шить дав­ле­ние над жид­ко­стью и тем са­мым по­ни­зить темп-ру её ки­пения. Та­ким пу­тём уда­ёт­ся по­лу­чить темп-ры: от 77 до 63 К с по­мо­щью жид­ко­го азо­та, от 27 до 24 К – жид­ко­го не­она, от 20 до 14 К – жид­ко­го во­до­ро­да, от 4,2 до 1 К – жид­ко­го ге­лия.

Ге­лий при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии ос­та­ёт­ся жид­ким вплоть до аб­со­лют­но­го ну­ля тем­пе­ра­тур (см. Ге­лий жид­кий). Од­на­ко при от­кач­ке па­ров жид­ко­го $\ce{^4He}$ не уда­ёт­ся по­лу­чить темп-ру су­ще­ст­вен­но ни­же 1 К да­же с по­мо­щью очень мощ­ных на­со­сов (вслед­ст­вие чрез­вы­чай­но ма­ло­го дав­ле­ния на­сы­щен­ных па­ров $\ce{^4He}$ и его сверх­те­ку­че­сти). По­это­му для дос­ти­же­ния темпе­ра­тур по­ряд­ка де­ся­тых до­лей кель­ви­на ис­поль­зу­ют изо­топ ге­лия $\ce{^3He}$ ($T_{кип}=3,2$ К), ко­то­рый не яв­ля­ет­ся сверх­те­ку­чим при та­ких темп-рах. От­ка­чи­вая ис­па­ряю­щий­ся $\ce{^3He}$, уда­ёт­ся по­ни­зить темп-ру жид­ко­сти до 0,3 К. Темп-ры ни­же 0,3 К при­ня­то на­зы­вать сверх­низ­ки­ми темп-ра­ми. Для их по­лу­че­ния при­ме­ня­ют разл. ме­то­ды. Ме­то­дом адиа­ба­тич. раз­маг­ни­чи­ва­ния (см. Маг­нит­ное ох­ла­ж­де­ние) с ис­поль­зо­ва­ни­ем па­ра­маг­нит­ной со­ли в ка­че­ст­ве ох­ла­ж­даю­щей сис­те­мы уда­ёт­ся дос­тичь температур по­ряд­ка 10–3 К, а с ис­поль­зо­ва­ни­ем па­ра­маг­не­тиз­ма атом­ных ядер – по­ряд­ка 10–6 К.

Для по­лу­че­ния температур по­ряд­ка не­сколь­ких мК ис­поль­зу­ют ме­тод рас­тво­ре­ния жид­ко­го $\ce{^3He}$ в жид­ком $\ce{^4He}$ в ре­фри­же­ра­то­рах рас­тво­ре­ния, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на том, что $\ce{^3He}$ со­хра­ня­ет ко­неч­ную рас­тво­ри­мость (ок. 6%) в жид­ком $\ce{^4He}$ вплоть до аб­со­лют­но­го ну­ля тем­ператур. По­это­му при со­при­кос­но­ве­нии поч­ти чис­то­го жид­ко­го $\ce{^3He}$ с раз­бав­лен­ным рас­тво­ром $\ce{^3He}$ в $\ce{^4He}$ ато­мы $\ce{^3He}$ пе­ре­хо­дят в рас­твор, при этом по­гло­ща­ется те­п­ло­та рас­тво­ре­ния и темп-ра рас­тво­ра по­ни­жа­ет­ся. Ге­лий $\ce{^3He}$ мож­но ох­ла­дить до темп-ры по­ряд­ка 1–2 мК, ис­поль­зуя По­ме­ран­чу­ка эф­фект. Ми­ним. по­лу­чен­ная темп-ра со­став­ля­ет 0,0000000001 К (100 пи­ко­кель­вин, на 2012).

Существует ли холод?

Многим из нас вопрос, существует ли вообще холод, покажется нелепым и бессмысленным. Конечно, холод существует, ведь вы не раз его ощущали и даже испытывали из-за него дискомфорт. Но если посмотреть внимательнее, мы увидим, что понятие холода – это всего лишь производное от понятия тепла: когда тепла много, мы ощущаем жар, когда его недостаточно – чувствуем холод.

Таким образом, с точки зрения физики, холода объективно не существует, это всего лишь недостаточное количество тепла

Согласно одной из легенд, популярных в мире учёных, впервые на эту проблему обратил внимание Альберт Эйнштейн, причём ещё в то время, когда был студентом

При помощи собственных ощущений мы можем определять тепло и холод в достаточно узком диапазоне температур: всё, что нагрето выше 60-70 градусов Цельсия, будет для нас «очень горячим», а всё, что имеет температуру ниже нуля по Цельсию – «очень холодным».