Физика низких температур

План Введение Способы получения низких температур Термодинамическая температура Холодильник История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур Современные способы получения низких температур Получение сверхнизких температур Список использованной литературы

Введение

термодинамическая температура магнитное охлаждение О том, что такое теплота, издавна существовали разные мнения. В 1620 году Фрэнсис Бэкон, систематизируя данные об источниках тепла и холода, собирал их в таблицы. В этих таблицах можно было найти молнии и зарницы, пламя и болотные огни. Здесь же были ароматические травы, которые при внутреннем употреблении дают ощущение тепла. Из всего этого Бэкон каким-то образом делает вывод, что теплота есть «расширяющееся движение». В 1658 году вышли в свет сочинения Пьера Гассенди. По его мнению, теплота и холод — это разные материи. Атомы холода острые, проникая в жидкость, они скрепляют ее.

Наверное, первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольно точная шкала теплоты, были врачи. Великий врач древности Гален — он жил во II веке — учил, что действие лекарств надо оценивать по восьмиградусной шкале: четыре градуса тепла и столько же градусов холода. Лекарства надо было смешивать, чтобы они могли понижать жар или согреть испытывающего озноб. Смешивание в должном отношении по-латыни называется temperatura. Отсюда и происходит термин, прочно вошедший в актив современной науки, — температура. Однако в науке этот термин долго не использовался. Лишь в XVII веке стали говорить о температуре в современном смысле: новое слово понадобилось только тогда, когда научились измерять степень нагретости тела.

Способы получения низких температур Представление кинетической теории тепла трудно проникало в физику. Более понятной казалась теория теплорода, приписывающей теплу свойство жидкости, перетекающей из одного тела в другое. Теплород был сродни флогистону, гипотетической субстанции, связанной с огнем, иногда их даже путали. Теплород, казалось, хорошо объяснял свойства тепла. Химики объясняли горение и окисление выделением теплорода. Теория теплорода завоевала особо широкое признание в последней четверти XVII века. Этому способствовало появление первых законов сохранения. Сохранение теплорода при тепловых процессах казалось столь же естественным, как и сохранение вещества. Теория тепловых машин, построенная Карно, тоже была основана на модели теплорода. И все-таки с моделью теплорода дело не вышло. Если бы тепло было какой-то жидкостью, то она, протекая, сохранялась бы: ее количество не должно было изменяться. Так и считали: сколько тепла забрали от нагревателя, столько получил холодильник. Но часто бывает совсем не так.

О том, что теплота связана с движением, говорили многие естествоиспытатели. Особого упоминания заслуживает английский физик Роберт Гук, правильные идеи высказывал М. В. Ломоносов. Многие философы говорили о теплоте как о движении. Но дальше всех продвинулся Максвелл. Кинетическая теория тепла, созданная Максвеллом, позволила понять тепловые явления на основе классической механики. В 1859 году в работе Максвелла появилась формула для распределения движущихся частиц по скоростям:

p = 1/3nmcр,

где р — давление газа, n — количество молекул в 1 см³ (концен-трация газа), m — масса молекулы, — среднее арифметическое квадратов скоростей молекул.

Формула позволяла вычислить постоянные, характеризующие свойства тел, — такие, как теплопроводность и вязкость газа и установить их зависимость от температуры. Подобно Ньютону, создавшему небесную механику, Максвелл положил начало статистической физике или, как ее называли в прошлом веке, кинетической теории газов. После некоторых преобразований формулу можно привести к виду:

m (v2)ср/2 = 3/2kT

Постоянная k носит название постоянной Больцмана (она была введена Планком в 1899 году). Последняя формула показывает, что температура служит мерой кинетической энергии молекул. Если газ одноатомный, то вся его энергия есть энергия поступательного движения (для газа, молекулы которого состоят из нескольких атомов, формулы оказываются немного сложнее).

В современной физике различают физику микрочастиц (электро-нов, протонов, атомов, молекул, фотонов) и физику макроскопических тел, состоящих из огромного числа, которая называется макрофизикой. Можно описать многие свойства макротел, отвлекаясь от их молекулярного строения и учитывая лишь поведение системы в целом. Этим путем следует термодинамика, рассматривающая свойства макротел, обусловленные движениями и взаимодействиями отдельных молекул. Практически вся термодинамика строится на двух постулатах, которые называют началами. Они были сформулированы Клаузиусом и Томсоном.

Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии. Он включает в себя принцип эквивалентности теплоты и механической работы, и его можно сформулировать так: изменение внутренней энергии системы равно сумме подведенного к ней тепла и совершаемой над ней механической работы.

Второе начало термодинамики говорит о том, что невозможно осуществить процесс, в результате которого тепло было бы перенесено от холодного тела к горячему без совершения работы.

Термодинамическая температура Классическая термодинамика подразумевает скрытое движение частиц, выражаемое температурой. Это положение является в термодинамике столь важным, что его иногда называют нулевым началом термодинамики, чтобы подчеркнуть его принципиальное значение как исходной предпосылки, и формулируют в виде аксиомы: все тела при тепловом равновесии обладают температурой.

Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Чем быстрее они двигаются в веществе, тем выше его температура. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина. Кельвин (К) — единица термодинамической температуры — одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ). Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0° С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением

Т = 273,15 K + t.

Бесконечно малое изменение температуры в градусах шкалы Цельсия и Кельвина одно и то же :

dT = dt

Повседневный опыт убеждает нас в том, что при контакте двух тел с разной температурой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому и температуры обоих тел становятся равными. Передача тепла от менее нагретого тела к телу более высокой температуры никогда не происходит самопроизвольно. Чтобы осуществить такую передачу, надо затратить энергию — механическую, электрическую, химическую или какую-нибудь другую.

Передачу тепла от холодного тела в окружающую среду, имеющую более высокую температуру, можно рассматривать как получение холода. Тогда под холодом надо подразумевать количество тепла, которое отнимается от охлаждаемого тела. Количество холода не пропорционально затраченной работе: чем ниже температура охлаждаемого тела, тем больше нужно работы, чтобы получить то же количество холода. Особенно сильно возрастает затрата работы на охлаждение вблизи абсолютного нуля. Например, чтобы получить холод на температурном уровне 3 К (-270° С), нужно затратить в 1000 раз больше работы, чем для получения того же количества холода при температуре 270 К (-3° С). При абсолютном же нуле затрата работы для получения холода должна быть равна бесконечности. Это показывает, что охладить тело точно до 0 К вообще невозможно.

Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например, мягкая и упругая резина становится при температуре около 200 К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло. Так же ведут себя многие металлы, например, сталь, свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры увеличивает прочность, оставляя им достаточную пластичность. Таковы, например, медь, ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготовляют аппараты, которые используются при низких температурах.

Холодильник Хотя обратимость циклов в тепловой машине использовалась во многих рассуждениях и теориях, очень долго никому не приходило в голову, для чего может понадобиться на практике тепловая машина, которая работала бы в обратном направлении. Идея комнатного холодильника возникла сравнительно недавно. Комнатный холодильник, набитый льдом, появился в квартирах лишь в середине прошлого века, а электрический холодильник, который стоит сейчас в каждой кухне, появился в продаже лишь в первых десятилетиях нашего века.

Если оставить в стороне конструктивные соображения, то холодильник работает по тому же принципу, что и тепловая машина, только все операции проводятся в обратном направлении. При изотермическом расширении на этапе ге количество теплоты DQ2 от холодильника переходит к охлаждающему газу. Дальше газ адиабатически сжимается до давления, отвечающего точке б, в которой газ вступает в контакт с нагревателем (комнатой) и где он в процессе изотермического сжатия до точки, а передает нагревателю (в действительности — просто воздуху комнаты) количество теплоты DQ1. На это затрачивается работа. На последнем этапе газ адиабатически расширяется и «возвращается» в точку в. В холодильном цикле на участке вба работает компрессор. Комнатный холодильник охлаждает продукты и нагревает комнату.

Несколько систем холодильников было разработано в России на основе полупроводниковых термобатарей. В них нет ни движущихся жидкостей, ни моторов, ни компрессоров. В заднюю стенку холодильного шкафа вмонтирована небольшая плитка, собранная из полупроводниковых термопар. Она соприкасается с двумя радиаторами: один выходит наружу холодильника, другой расположен внутри него. Полупроводниковый выпрямитель преобразует переменный ток электросети и питает холодильник постоянным током. Холодильник действует совершенно не изнашиваясь. Созданы также холодильники-малютки для научных исследований, для их использования в медицине и т. д.

История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур Интерес к получению низких температур возник не только из практических соображений. Физиков давно интересовал вопрос, можно ли превратить в жидкость газы — такие, как воздух, кислород, водород. Начало этой истории относится к 1877 году, когда горный инженер из французского города Шатильон Кальете обнаружил капли жидкого ацетилена в лабораторном сосуде, в котором неожиданно открылась течь. Резкое понижение давления вызвало образование тумана.

Почти в те же дни Пикте сообщил из Женевы о последовательном, каскадном сжижении разных газов, завершившемся получением жидкого кислорода при температуре -140°С и давлении 320 атмосфер. Температура в опытах Кальете оценивалась в -200°С.

Техники занялись постройкой холодильных аппаратов. В 1879 году из Австралии в Англию отправился первый рефрижератор, груженый мясом. По-видимому, первый из патентов на холодильные устройства, датированный 1887 годом, был выдан Сименсу.

Уже в 1888 году в Астрахани была построена большая холодильная машина для замораживания рыбы. А двумя годами ранее газета «Петербургский листок» писала: «…дело дошло до поставки на дом холодной температуры. Для этого предлагается устроить резервуары с концентрированным аммиаком, который, испаряясь, произведет весьма заметное понижение температуры».

Все методы сжижения были основаны на охлаждении газа при расширении с совершением работы (в поршневом или турбинном двигателе) либо при расширении в пустоту, когда работа совершается против сил притяжения молекул внутри самого газа. В 1898 году Дьюар получил жидкий водород, снизив температуру примерно до 20 К. Жидкий воздух был получен Клодом в 1902 году. Наконец, в 1908 году Камерлинг-Оннес в Голландии получил жидкий гелий. Температура, которая была им впоследствии достигнута, только на один градус отличалась от абсолютного нуля. В 1939 году П. Л. Капица доказал большую эффективность ожижительных машин, в которых газ совершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили с тех пор большое распространение. Он же предложил и конструкцию эффективной установки сжижения гелия.

Современные способы получения низких температур Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия 3Не.

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур — это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Первый метод — дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, и газ охлаждается. Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа ожижается.

У каждого газа есть определенная температурная точка — инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Поэтому применять метод дросселирования можно только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (-80° С), а у гелия даже 33 К (-240° С).

При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается. Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. На рисунке 2 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атмосфер. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11−12 К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике.

Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух — своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Жидкий гелий представляет собой бесцветную легкую жидкость, плотность которой в 8 раз меньше, чем у воды. Он кипит под атмосферным давлением при температуре около 4 К. Жидкий гелий используется обычно для охлаждения исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю. Водород, азот и другие газы сжижают примерно теми же методами, но соответственно при более высокой температуре.

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений — сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах и могут быть объяснены только с помощью квантовой механики.

Получение сверхнизких температур При низких температурах прекращается почти всякое движение атомов — поступательное, вращательное. Однако даже при температурах, меньших 1 К, спины атомов продолжают вести себя как атомы идеального газа — они обмениваются энергией (хотя и слабо), и их положение в пространстве может изменяться почти свободно. В таких элементах, как редкоземельные, электроны заполняют внутренние оболочки атомов, и их спины почти не чувствуют других электронов. Следовательно, и магнитные моменты ведут себя, как свободные.

На этом свойстве электронов основан метод получения сверхнизких температур — магнитное охлаждение. Он был предложен в 1926 году Джиоком в США и независимо (даже несколькими неделями раньше) Дебаем в Германии. Этим методом были достигнуты температуры примерно 0,003 К. Более низких температур получить таким способом не удается, так как спины перестают двигаться свободно, их упорядоченность, возникающая из-за взаимодействия между ними, не разрушается слабым тепловым движением атомов.

Можно спуститься по температурной шкале еще ниже, если использовать большие магнитные поля — в несколько тесла. В таких полях можно ориентировать магнитные моменты ядер и повторять все описанные операции уже не с электронами, а с ядрами. В 1956 году Симон достиг таким способом температуру в 0,16 К. К сожалению, этот рекорд не вполне реален, так как здесь охлаждается не кусок вещества, а иллюзорная система спинов.

Всем известно, что растворение соли понижает температуру раствора. Этот простой эффект помог физикам. Оказалось, что если растворять газ гелий с атомной массой 3 в обычном жидком гелии, то температура раствора понижается. Так получают температуру до 0,001 К.

Есть еще более хитроумный способ, придуманный И. Я. Померанчуком. Способ этот тоже связан с 3Не, и с его помощью достигается температура около 0,001 К. При 0,002 К жидкий 3Не становится, подобно 4Не, сверхтекучим, и в этой области сейчас открылся необычайно сложный и интересный мир физических явлений. Физика низких температур вступила сейчас в новую эпоху. Область милликельвинов (тысячных долей кельвина) сулит еще много сюрпризов

Литература

Бабский Е. Б., Зубков А. А., Косицкий Г. И., Ходоров Б. И. Физиология человека. М.: Издательство"Медицина", 1966.

Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. Медицинская биофизика. М.: Медицина, 1978.

ДЭ. Вещество и энергия. М.: «Просвещение», 1966.

Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Атомиздат, 1975.

Радушкевич Л. В. Курс термодинамики. М.: «Просвещение», 1981.

Расторгуев Б. П. Хирургия без ножа. М.: «Знание», 1975, С. 81−87.

Смородинский Я. А. Температура. — М.: Наука, 1987. — (Библиотечка «Квант», вып. 12)

Соровский образовательный журнал, 1996, № 4, С. 51.

www.