4. Зрідження газів. Одержання низьких температур.

До XVIII ст. вважалося, що повітря, водень, кисень, азот, хлор, аміак та інші гази можуть існувати лише в газоподібному стані. Згодом виявилося, що деякі з цих газів, охолоджені на кілька градусів нижче 0 °С, зріджуються уже під тиском, який дещо перевищує атмосферний. У 1823 р. англійський фізик М.Фарадей (1791—1867) сконденсував ряд газів при кімнатній температурі, але при підвищеному тиску. Тиск у кілька атмосфер достатній для зрідження хлору i вуглекислоти. Пізніше (у 1845 р.) М.Фарадей для зрідження газів одночасно використав стиск i охолодження. Йому не вдалося сконденсувати шість відомих на той час газів, а саме: , O₂, N₂, NO, СО, СН₄, які було названо постійними. Причиною негативних резуль­тате було те, що Т_к їx значно нижча від температур, при яких намагалися провести зрідження. У 1877 р. Л.Кальете (1832—1913) вдалося сконденсувати СО i О₂. При цьому дуже стиснуті гази адіабатно розширювалися.

Одночасно в 1877 р. швейцарському фізику Р.Пікте (1846—1929) вдалося добути рідкий кисень при тиску 320 • 10⁵ Па i температурі 233 К, досягнутій при використанш сірчистої та вугільної кислот. Він розробив "каскадний" метод зрідження газу — метод, який полягає в зниженні температури зріджуваного газу i послідовному зрідженш газів з послідовно меншими Т_к. Наступний крок у галузі зрідження газів було зроблено польськими фізиками 3.Ф. Вроблевським (1845—1888) i К.С. Ольшевським (1846—1915), яю протягом 1883—1887 pp. у першій кріогенній лабораторії, вдосконаливши скраплювальну техніку, зрідили азот i наблизилися до зрідження водню, який вперше дістав у рідкому стані в 1898 р. англшський фізик Д.Дьюар (1842— 1923). У 1892 р. Дьюар створив "посудину Дьюара", що стало значним кроком у техніці низьких температур. Це дало можливість підтримувати низькі температури значних мас рідких газів, транспортувати їх. У 1908 р. нідерландський фізик Г.Камерлшг-Оннес (1853 - 1926) зрідив гелій. Так було покладено початок фізицi низьких температур.

Сучасні методи глибокого охолодження для зрідження газів грунтуються на використанні ефекту Джоуля — Томсона, виконанні газом зовнішньої роботи та магнітному охолодженні за методом Дебая.

Мал. 3

В одному з перших технічних методів зрідження газів (машина Лінде, 1895 р.) було використано ефект Джоуля — Томсона при попередньому охолодженні газу перед дроселюванням. Загальну схему машини Лінде показано на мал.3. Для реалізації додатного ефекту Джоуля — Томсона ( T < 0) початкова температура газу повинна бути досить низькою. Зріджуваний газ, стиснутий компресором 1, охолоджується в теплообміннику-охолод-жувачі A i по змійовику 2 подається у вентиль В, де він адіабатно дроселюється до тиску, близького до атмосферного. При цьому газ охолоджується. Якщо це зниження температури є недостатнім для зрідження газу, то він по спеціальних зовнішніх трубах змійовика 2 протитечією повертаеться в теплообмшник-охолоджувач, охолоджуючи нові порції стиснутого газу, i виводиться потім через трубопровід 3 у компресор. Таким чином поступово знижується температура газу за вентилем В, поки не досягаеться його зрідження. При цьому з вентиля В виходить двофазна cyміш. Сконденсований газ збирається в посудині Дьюара С, а газ повертаеться в компресор 1. Користуючись методом Лінде, Д. Дьюар вперше добув рідкий водень, а Г. Камерлшг-Оннес — рідкий гелій.

При адіабатному дроселюванні охолодження газу здійснюється за рахунок внутрішньої роботи проти сил притягання між молекулами. Відомо, що охолодження газу реалізується також у разі його адіабатного розширення під час виконання зовнішньої роботи. При цьому охолодження газу відбувається внаслідок зменшення енергії (швидкостей) молекул при ударах їx об поршень, що віддаляється. Цей cnoci6 охолодження газу є більш ефективним, оскільки процес адіабатного розширення газу оборотний або може бути оборотним.

Другий технічний метод зрідження газів грунтується на принципово необоротному процесі розширення газу з виконанням зовнішньон роботи при адіабатному дроселюванні. Ж. Клод у 1902 р. доповнив машину Лінде спеціальним пристроем — детандером, в якому після вентиля В газ виконуе зовшшню роботу. В машині Клода детандер (розширювальна камера) — це циліндр з поршнем. Зовшшня робота, виконувана газом у детандера використовується для полегшення роботи компресора, для вимушеного змащення машини та ін.

У детандерних зріджувачах газів одночасно використовуеєься i дроселювання, i розширення газів.

Детандерні машини с більш раціональними i ефективними порівняно з машинами Лінде. Характерною для них є наявність лише одного робочого тіла. Проте зауважимо, що введення детандера дещо ускладнює установку, збільшує її габарити.

Російський фізик П.Л. Катца (1894—1984) зміг позбутися недоліків поршневого детандера Клода. В машині Kaпіца поршневий де­тандер замкнено турбінним (турбодетандер), Ідея якого була розроблена ще в 1892 р. англійським фізиком Д. Релеем (1842—1919). Особливістю цієї машини є низький тиск газу, який надходить у де­тандер (р 6*10⁵ Па), а також те, що в ній практично весь газ про­ходить адіабатне дроселювання.

За допомогою рідких газів досягають низьких температур близько 4,21 К (рідкий гелій). Коли рідкий гелій кипить при зниженому тиску (пари гелія при цьому відкачуються), температуру його можна знизити до 0,69 К.

Мал. 4

Щоб мати ще нижчі температури (наднизькі — Т < 1 К), вдаються до магнітного методу охолодження, який запропонував у 1926 р. П. Дебай. Цей метод грунтується на оборотному розмагніченні деяких парамагнітних речовин, оскільки при цьому, як i при адіабатному розширенті газів, робота проти зовнішніх сил виконується за рахунок внутршньої енергії. Практичну можливість реалізації цього ме­тоду підтвердив У.Джіок у 1933 р. Як робочі речовини використовують кристалічні парамагнітнісолі (сульфат гадолінію, хромокалієві та залзоалюмінієві галуни). Явище температури при адіабатному розмагніченні називають магнетокалоричним ефектом.

Схему установки Джіока зображено на мал. 4. Між полюсами сильного електромагніту N i S розміщено дві посудини і . Зовнішня посудина наповнена воднем, що кипить, а внутрішня — гелієм. У внутрішній посудині Дьюара міститься третя посудина С з газоподібним гелієм, в якій на пружній нитці підвішено парамагнітне тіло Л, охолоджене до 1 К. Внаслідок високої теплопровідності гелію між A i С забезпечено тепловий контакт. На початку експерименту парамагнітний кристал ізотермічно намагнічується, i теплота, що виділяється при цьому, поглинаеться рідким гелієм. Після на­магнічения тіла А з посудини С відкачують газоподібний гелій, i па­рамагнетик А стає термічно ізольованим. Якщо тепер вимкнути магнітне поле, то парамагнетик А розмагнічується адіабатно й температура його знижується. Як тільки його температура тіла знизиться настільки, що під дією сил взаємодії виникає впорядкованість в орієнтації “елементарних магнітів”, метод адіабатного роз магнічення перестає діяти. Цей метод дає змогу досягти температури близько 0,001 К.

Другий шлях до абсолютного нуля має в своїй основі використання ядерного магнетизму. У цьому разі сили взаємодії проявляються лише при К. за цим методом вдалося дістати спінові температури близько К.