Низкие температуры, пути достижения. История и современность

Низкие температуры, пути достижения. История и современность.

Одним из интереснейших отделов физики является тот, который трактует о сжижении газов, и, прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связанных с задачей сжижения воздуха, мы не можем обойти молчанием те многочисленные работы, которые закончились только в последнее время полным господством науки над жидким и газообразным состоянием тел.

В области сжижения газов теоретические выводы значительно опередили их практическое осуществление. Физики наблюдали, как обычные жидкости, под влиянием тепла, превращаются в пары, столь же подвижные и легкие, как и газы; под влиянием охлаждения эти пары легко возвращались в свое исходное состояние превращаясь в жидкость. Перед учеными вставал вопрос: не являются ли также и газы естественные или получаемые химическим путем парами жидкостей, но жидкостей особенных, несравненно более летучих, чем обычные, и которые кипят при очень низких температурах.

Не эти ли мысли занимали знаменитого Свифта, когда он сочинял следующий отрывок своего “Путешествия Гулливера” (3-я часть, Путешествие в Лапута, гл. V—Описание академий в Лагадо) “Под началом великого ученого находилось 50 рабочих. Одни сгущали воздух, делая его осязаемым, извлекая из него азот и давая испаряться текучим и водянистым частицам и. т. д.” Ведь это полная картина производства жидкого воздуха, кислорода и азота - и все это в 1726 году!

После Свифта понятие о способностях газов сжижаться уясняют приводимые ниже пророческие слова Лавуазье. В то время, когда даже легко сжижаемые газы не могли быть приведены в жидкое состояние, знаменитый химик решился сказать: “Если бы земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна,— вода, которая ныне образует наши реки и моря и, вероятно, значительное большинство из известных нам жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы. В этом случае воздух или, по крайней мере, часть газов, его составляющих, изменили бы свое состояние, превратившись в жидкость из невидимого газа, который существует благодаря нахождению в среде с достаточно высокой температурой, при этом переходе воздуха из одного состояния в друг образовались бы новые, доселе даже не предугадываемые, жидкости”.

Таким образом, начиная с Лавуазье, утверждается мнение, что три состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное представляют собой последовательный ряд, при чем каждое из состояний находится в зависимости от температуры окружающей среды.

Современная наука подтвердила для всех тел, по крайней мере, не разлагающихся при нагревании, полную закономерность и общность этого заключения.

Антуа́н Лора́н Лавуазье́

Без каких-либо других предисловий, перейдем теперь к изучению вопроса о сжижении газов, предварительно вспомнив все те законы, которым подчиняется как испарение жидкостей, так и сгущение их паров.

Упругость паров жидкостей. Пары насыщенные и ненасыщенные.

На рисунке изображена барометрическая трубка, заполненная ртутью и погруженная своим открытым концом в сосуд со ртутью же. При этом в пространстве Е образуется пустота; известно, что по высоте ртутного столба АВ (приблизительно 760 мм) определяется атмосферное давление. Введем в барометрическую трубку при помощи загнутой пипетки несколько капель какой-нибудь жидкости: воды, спирта и т. д. Эта жидкость, достигнув свободной поверхности ртути, испарится в пустом пространстве Е, и мы увидим, что уровень ртути, под влиянием образовавшихся паров, понизится от первоначального уровня В до нового уровня С. Высота BС определяет силу упругости или давление образовавшихся паров при тех условиях, при которых производится опыт. При производстве этого опыта возможны 2 варианта:

1) В трубку вводится жидкость в избыточном количестве; в этом случае испарится только часть этой жидкости. В барометрическом пространстве Е будет содержаться то максимальное количество паров, которое оно может вместить, т. е. пар будет, как принято называть, “насыщенным”. Понижение уровня ртути в этом случае будет максимальным и инте­ресно отметить, что это понижение при дан­ной температуре является величиной строго определенной и постоянной, независимо от количества излишка жидкости, введенного в трубку. Можно сказать, что упругость на­сыщенного пара при определенной темпера­туре является постоянной физической вели­чиной и характеризует жидкость в такой же степени, как ее характеризуют плотность или точка кипения.

2) Введенная в трубку жидкость испа­ряется полностью, следовательно, количество ее оказалось недостаточным для образования того количества пара, которое может вме­ститься в трубку. В данном случае степень понижения уровня ртути не будет предста­влять собой определенной величины, как это было в первом случае, и будет зависеть от количества введенной жидкости. И совер­шенно ясно, что если было введено незна­чительное количество жидкости, то и пони­жение уровня ртути будет незначительным. Таким образом, давление ненасыщенного пара не представляет собою определенной вели­чины и может изменяться в зависимости от количества введенной жидкости в пределах от нуля до максимума при чем максимум, понятно, соответствует упругости насыщенного пара, и поэтому такое давление часто называют максимальным, и оно является истинной силой упругости пара при определенной температуре. В дальнейшем эту силу напряжения упругости мы будим называть упругостью пара. К сущности понятия ненасыщенного пара мы должны отнестись с должным вниманием, ибо, как впоследствии узнаем, газы представляют собою явление того же порядка, т. е. являются ненасыщенными парами.

Изменения упругости паров различных жидкостей в зависимости от свойств последних и их температуры.

Упругость паров различных жидкостей при равной температуре тем больше, чем более летучи эти жидкости. Так, например, упругость паров воды при 20е равна 17,4 мм, т. е., иначе говоря, при 20°C уровень столбика ртути (в барометрической трубке) понижается при введении в трубку воды на 17,4 мм; упругость паров обыкновенного спирта при той же температуре равна 44 мм, паров древесного спирта—95 мм и паров эфира - 442 мм; последовательность этих цифр одновременно показывает нам и порядок летучести этих жидкостей. С другой стороны, упругость паров одной и той же жидкости быстро возрастает при увеличении температуры. Попробуем постепенно подогревать нашу барометрическую трубку: под влиянием все увеличивающегося испарения жидкости, пары которой поднимаются над ртутью, уровень последней будет понижаться с возрастающей скоростью и упругость водяных паров при 30° будет равна 31,5 мм, при 50°C - 92 мм и при 75°C - 288,5 мм. Продолжая повышение температуры, мы увидим, что понижение уровня ртути еще ускорится, и в определенный момент, под влиянием насыщенного пара жидкости (которая находится в трубке все время в избыточном количестве), уровень ртути, находящейся в барометрической трубке, дойдет до уровня ртути в сосуде А. Очевидно, в этот момент упругость паров будет точно уравновешивать атмосферное давление и будет, следовательно, равна 760 мм. Если в этот момент измерим температуру, то увидим, что она равна 100°C, т. е. температуре кипения воды при атмосферном давлении. Это чрезвычайно интересное явление мы формулируем следующим образом: Температура кипения жидкости при атмосферном давлении является, вместе с тем и той температурой, при которой упругость паров этой жидкости равна одной атмосфере. Все законы природы имеют свой глубокий смысл, но нам так редко представляется возможность их разгадывать, что каждый такой случай следует отмечать. Здесь мы имеем этот случай. Как очень хорошо известно, только тогда начинают образовываться в жидкости; пузыри, наблюдаемые обыкновенно при кипении, когда пары получают возможность своей упругостью уравновешивать атмосферное давление, действующее на жидкость.

До того момента, пока упругость паров не достигнет этой вели­чины, не могут образовываться пузырьки пара, и мы наблюдаем только медленное поверхностное испарение, но не кипение.

Теплота испарения.

Рассмотрим явления, происходящие при нагревании жидкости в открытом сосуде. Известно, что температура этой жидкости будет беспрерывно подниматься до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения, после чего повышение температуры сразу приостано­вится, как бы ни был силен источник нагревания. Изменение физиче­ского состояния жидкости, с одной стороны, и, с другой стороны, громадное увеличение ее объема, происходящее во время парообра­зования с преодолеванием противодействия атмосферного давления, требуют затраты значительной энергии, которая получается за счет значительного поглощения тепла. Некоторое отдаленное представле­ние о количестве тепла, затрачиваемого при парообразовании, дает нам то ощущение холода, которое испытывает на себе всякий, вы­ходя из ванны, когда происходит медленное испарение воды, остав­шейся на теле.

До того момента, пока нагреваемая нами жидкость не закипела, слабое поверхностное испарение вызывает соответственно слабое поглощение тепла, и почти все тепло, выделяемое источником нагре­вания, расходуется на постепенное нагревание жидкости. С того же момента, когда началось кипение, поглощение тепла для образования паров становится громадным, и все тепло нагревателя, независимо от его мощности, уходит на процесс парообразования.

Количество тепла, необходимое для превращения в пар одной весовой единицы кипящей жидкости, называется теплотой испарения. По Реньо для воды при 100°C она равна 537 калорий на 1 т. Количество, поистине, колоссальное!

А ведь эта цифра обозначает, что вода, уже нагретая до 100°, без дальнейшего повышения температуры при переходе из жидкости в газ той же температуры, поглощает количество тепла почти в 5,5 раз - большее, чем то, которое было поглощено водой для перехода от тем­пературы таяния льда к температуре кипения. В этом отношении, как и во многих других, вода представляет собою особенную жидкость; это видно из нижеследующей таблицы, в которой указаны температуры кипения и теплоты испарения различных жидкостей.

Наименование жидкостей	Температура кипения	Теплота испарения в калор./кг
Эфир	35°С	90
Уксусная кислота	120°С	102
Спирт	78,5°С	208
Метиловый спирт	66,5°С	264
Вода	100°С	537

Необходимость холода для существования сжиженных газов при атмосферном давлении.

Заметим, что в открытом сосуде невоз­можно нагреть жидкость выше ее точки кипения, так как усилением нагревания мы можем вызвать только более бурное кипение, но не превысить температуру кипения. Другими словами, ни одна химически чистая жидкость не может в нормальных условиях существовать под давлением атмосферы при температуре, превышающей точку кипения данной жидкости. Если правильны заключения физиков, рассматривающих газы, как пары чрезвычайно летучих жидкостей, то эти газы уже при очень низких температурах обладают необходимой для кипения упругостью, равной одной атмосфере, и вследствие этого эти жидкости могут существовать под давлением атмосферы только при очень низких температурах. Таким образом, мы постигаем сущность той роли холода для сжижения газов, которую предсказал Лавуазье, В том, насколько велико значение холода, мы убедимся далее, когда увидим, что во всех случаях, единственное обстоятельство, достаточное само по себе для достижения сжижения во всех случаях, это действие холода: ни один газ, даже гелий, не сможет противостоять достаточному холоду. Нет никакого сомнения, что физики, занимавшиеся этой интересной проблемой, очень приблизились бы к решению ее, если бы приняли это положение. Правда, получение очень низких температур могло бы им показаться одним из наибольших затруднений в физике. Но увеличив свои усилия - а поставленная проблема достойна этого - нет никакого сомне­ния, что, вследствие большого прогресса физики, они открыли бы те удивительно простые способы, которые служат нам сейчас, для полу­чения глубокого холода.

Влияние давления на температуру кипения.

а) Уменьшение давления. Мы только что видели, что при нагре­вании какой-либо жидкости под давлением атмосферы, кипение начи­нается в тот момент, когда постепенно увеличивающаяся упругость паров достигает величины, уравновешивающей атмосферное давление. Уменьшим действующее на жидкость давление, поместив ее в закрытый сосуд, из которого частично выкачан воздух; ясно, что более низкая упругость пара при низшей температуре сможет преодо­леть существующее уменьшенное давление и тем самым вызвать кипение: температура кипения при этих условиях окажется ниже нормальной, и чем совершеннее пустота в сосуде, заключающем нашу жидкость, тем температура кипения соответственно ниже.

Сама природа в некоторых случаях подтверждает правильность изложенного. На вершинах гор, например, мы имеем давление ниже атмосферного, при чем понижение давления равно давлению столба воздуха от подошвы горы до ее вершины. При восхождении Соссюра на Монблан, знаменитого альпиниста поразило то обстоятельство, что на обледенелой вершине альпийского колосса, он с большим трудом мог сварить в кипящей воде яйца вкрутую, настолько была там понижена температура кипения воды.

Вот другой, еще более разительный пример!

При действии воздушного насоса, постепенно увеличивающего разрежение в сосуде с водой, температура кипения воды может упасть ниже точки замерзания: при таких условиях яйца вкрутую становятся в действительности мифом! А ведь для хорошего воздушного насоса не представляет особой трудности поддерживать над жидкостью, заключенной в закрытый сосуд, давление в 1 - 2 лиг, и так как при 0° упругость паров воды равна 4,6 мм, то, очевидно, вода при этой температуре и при указанном давлении должна закипеть, так как упругость паров воды в этих условиях значительно превосходит давле­ние, существующее в сосуде.

Холодильные машины, построенные на принципе испарения. Из сказанного очевидно, что испарение, происходящее в описанных условиях может служит источником очень значительного охла­ждения.

Если, например, соединить сосуд, наполненный водой, с вакуум-насосом достаточной мощности и заставить последний работать, то по истечении некоторого времени вода бурно закипит, так как насту­пит момент, когда при той температуре, при которой находится вода, упругость ее паров превысит то уменьшенное давление, которое поддерживается действием насоса. Так как в данном случае теплота, поглощаемая испарением и уходящая вместе с парами, доставляется не каким-либо посторонним источником, а заимствуется из самой жидкости, то последняя довольно быстро охлаждается; ввиду того, что давление поддерживается беспрерывно действующим насосом ниже упругости пара, несмотря на уменьшение. последней по мере понижения температуры жидкости, то кипение будет продолжаться, охлаждение. усиливаться, и благодаря этому в определенный момент жидкость превратится в твердое тело.

Этот красивый опыт послужил основанием при конструировании ледоделательных машин. Так, например, в ледоделательной машине Карре в основание положен принцип поглощения паров воды серной кислотой (жадность, с которой вода соединяется с серной кислотой - общеизвестна). Тот же принцип заложен в исключительной машине, настоящего борца за здравый смысл, знаменитого инженера Леблана, в которой выполнение работы по замораживанию воды было возложено на струю пара. Эта струя пара, посредством инжектора Жиффара создавала разрежение воздуха и великолепно действовала в моделях, построенных фирмой Вестингауз, экономично замораживая десятки центнеров в час!

Таким образом, мы видим, что если при помощи воздушного насоса поддерживать определенное разрежение над жидкостью, последняя быстро доходит до температуры, при которой упругость пара приблизительно равна пониженному давлению, поддерживаемому воздушным насосом, и, пока упругость пара превышает давление, жидкость кипит и при этом продолжает охлаждаться. Если же жидкость очень летуча, т. е. если пары ее до самых низких температур имеют достаточную упругость, то эти низкие температуры могут быть получены путем простого испарения такой жидкости в вакууме.

Так, например, серный эфир, упругость паров которого при -40°С еще превышает 5 мм, может быть охлажден ниже этой температуры, путем простого испарения под давлением в 5 мм. Но вместо того, чтобы получать в сильно разреженной атмосфере очень низкую температуру путем испарения очень летучей жидкости, часто имеет смысл получать не столь уж низкую температуру, пользуясь для этого и не слишком сильным разрежением. Возьмем для примера тот же серный эфир, упругость паров которого при -10°С равна 111 мм; эта довольно низкая температура может быть легко достигнута испарением жидкости при сравнительно незначительном разрежении, которое без особого труда создадут воздушные насосы значи­тельно менее мощные и менее сложные, чем те, которые понадобились бы для воды. Можно легко себе представить, что для разрежения пара до давления, например, 2 мм ртутного столба нужно будет затратить значительную работу, и для получения положительных результатов потребуются насосы огромных объемов. Испарение летучих жидкостей сделалось в настоящее время наиболее распространенным способом, применяемым для получения холода и этот принцип используется в очень широких масштабах в практике холодильного дела в тысячах машин: как например, в маши­нах с хлористым метилом, сернистым ангидридом, аммиачных, углекислотных и. т.д.

б) Действие повышения давления. Мы уже видели, что с умень­шением давления, под которым находится жидкость, понижается температура ее кипения. Наоборот, будем увеличивать давление: мы увидим, что для того, чтобы сообщит парам этой жидкости упругость, преодолевающую это давление, нам придется нагреть жидкость выше той температуры, чем это понадобилось бы при нормальных условиях. И чем больше будет давление, тем выше будет температура кипения.

Вот почему в паровых котлах вода при давлении в 15 атмосфер закипает только при 199°.Очевидно, с небольшими познаниями некоторых законов при­роды можно расплавлять в воде не только олово, но и свинец!

Заметим, что повышенное давление, которое следует прило­жить к нагреваемой жидкости, для повышения ее температуры кипения, образует сама жидкость, если только последняя заключена в закрытом сосуде. Очевидно, что в этом случае над поверхностью жидкости автоматически устанавливается давление, равное в каждый данный момент упругости скопляющихся над жидкостью паров. Следует заметить, что при этих условиях, которые аналогичны тем, которые существуют в паровом котле при разведении паров, кипе­ние воды не может начаться до тех пор, пока не выпустят часть пара. Упругость пара в данном случае соответствует испытанному жидкостью давлению, и последнее, вследствие этого, не может быть преодолено. Пока тепло, доставляемое топкой, не удаляется с расходуемым паром, оно почти полностью уходит на нагревание жидкости; при этом температура подымается довольно быстро, а одновременно с темпера­турой жидкости возрастает упругость ее паров, а вследствие этого и давление. И только тогда, когда давление: уже значительно повышено, выпуская часть пара и понижая тем самым давление, создают вследствие этого условия, при которых упругость пара несколько превышает да­вление, что дает возможность начаться кипению. Тогда давление пе­рестает повышаться, так как тепло, доставляемое топкой, расходуется вместе с уходящим паром. Ниже помещенная таблица, составленная Regnault, показывает те громадные колебания температуры кипения воды, которые находятся в зависимости от давления. Собственно говоря, при соста­влении этой таблицы преследовалась цель указать упругость паров воды при соответствующих температурах; но мы знаем уже, что эти величины (упругость пара и температура кипения) связаны между собою, и что кипение начинается в тот момент, когда разность между испытываемым жидкостью давлением и упругостью ее паров стано­вится бесконечно малой.

Темпера­тура	Упругость пара в атмо­сферах	Темпера­тура	Упругость пара в атмо­сферах	Температура	Упругость пара в атмо­сферах
80°	0,47	130°	2,67	180°	9,93
90°	0,69	140°	3,58	190°	12,2
100°	1,00	150°	4,71	200°	15,38
110°	1,41	160°	6,12	365°	200,50
120°	1.96	170°	7,84

Мы уже видели, что повышение давления является тем средством, которое дает возможность поднимать температуру жидкости выше - и даже значительно выше - ее точки кипения при атмосферном давлении. Это положение, которое нам кажется сейчас чрезвычайно простым, дало ученым прошлого века много успехов, но в то же время было причиной многих бесплодных усилий.

Предположим, что мы имеем гипотетическую жидкость соответствую­щую какому-нибудь определенному газу: естественно, что эта жид­кость под атмосферным давлением существует только при очень низ­кой температуре; но если мы эту жидкость заключим в закрытый сосуд, то сможем подвергнуть ее нагреванию и повысившееся при этом давление поднимет и температуру ее кипения. Если наш опыт продолжить до получения значительных, а в случае необходимости и громадных давлений, то нет видимых оснований понять, что помимо всякого охлаждения достаточно настоящий газ надлежащим образом подвергнуть повышенному давлению, чтобы вызвать его сжижение. Сейчас мы увидим смысл этого заключения; мы увидим, повто­ряю, все удовлетворение, но также и разочарование, которое оно принесло ученым; но прежде всего установим, что такое “надлежа­щие” условия для сжижения.

Превращение насыщенного пара в жидкость под влиянием давле­ния, превышающего его упругость.

Вернемся к нашей барометрической трубке и вспомним, что мы ее оставили в тот момент, когда под влиянием сообщаемой извне теплоты возрастало давление пара и вследствие этого столб ртути понизился до уровня ртути в сосуде, следовательно, уравновесился под влиянием действующих на него двух равных и взаимно противоположных сил: с одной стороны, атмосферного давления, которое стремится повысить уро­вень столба ртути в трубке до 760 мм, а с другой стороны, упругости пара введен­ной в трубку жидкости, при температуре ее кипения в нормальных условиях, пре­пятствующей этому повышению уровня. Понятно, мы не забыли, что жидкость введена в трубку в избытке, и что мы в рассматриваемом случае имеем дело с на­сыщенным паром. Теперь, не изменяя температуры, погрузим трубку в сосуд примерно, на 10 см. Этим простым действием мы вызовем чрезвычайно интересное явление. Следовало бы, казалось, ожидать, что уровень ртути, заключенной в трубке одновременно с погруже­нием последней, опустится на несколько сантиметров ниже уровня ртути, заполняющей сосуд; это и случилось бы, если мы имели бы дело с обыкновенным газом. В рассматриваемом случае этого не произойдет. Ведь если бы уровень ртути в трубке понизился, пары оказа­лись бы под некоторым больщим давлением, и возрастание послед­него равнялось бы величине понижения уровня. А ведь это является, безусловно, немыслимым, так как при температуре кипения, поддерживаемой внешним источником тепла, пары обладают упругостью ой одной атмосфере. Таким образом, против наших ожиданий, ртутный столбик, под уровнем погружения трубки, не понизится и, сколько бы мы это ужение трубки не продолжали, ртуть в трубке будет оставаться одном уровне с ртутью сосуда. Пространство, занятое парами, будет по мере погружения трубки все время уменьшаться, в своем объеме, при компрессии паров произойти не может, как внутреннее давление все время тается равным атмосферному. Что же в таком случае происходит? Только то, что по мере погружения трубки в сосуд пары постепенно конденсируются, т. е. сжижаются. Так оно и происходит в действитель­ности, и мы видим, что жидкость, оса­ждается на стенках трубки и, по мере даль­нейшего погружения трубки, количество получающейся жидкости все время увели­чивается. Если сосуд настолько глубок, что мы можем целиком погрузить в него нашу трубку, то в тот момент, когда ее вершина достигнет уровня ртути в сосуде, заполненное парами пространство в трубке совершенно исчезнет, и жидкость, вначале впущенная в трубку, опять займет свой первоначальный объем. Во время совершения описанного опыта, нами поддерживалась, как это уже указывалось, нормальная температура кипения. Проде­лаем этот же опыт при какой-либо иной температуре и мы получим тот же результат к еще некоторые интересные указания. Будем поддерживать температуру, например, в 60°С, при чем жидкость вводимая в трубку, остается прежней - вода. При этой температуре высота столба ртути в трубке очень значительна и равна 611 мм, что, приблизительно, соответствует упругости паров воды при этой температуре по таблице Реньо 760-611 = 149 мм. Погрузим трубку в сосуд; по тем же причинам, что и в прежнем опыте, ртуть останется на высоте 611 мм, независимо от степени погружения (рис. 8, 9 и 10), а стенки трубки снова покроются влагой.

Интересно отметить следующий факт: ранее, при 100°С сжижение насыщенных паров воды происходило при давлении, равном давлению целиком опущенного ртутного столба, т. е. при 760 мм, теперь же, при 60°С ртуть оказывает на пар давление только в 7мм, равное упругости пара, т. е. таким образом мы видим, что в данном случае сжижение происходит под значительно меньшим давлением, чем в предыдущем. Если же мы повторим тот же опыт при 20°С то мы будем иметь еще более низкое давление равное 17,4 мм, и наобо­рот, при температуре в 140° давление будет более высоким, равным 2718 мм или 3,57 атмосферам.

Из сказанного можно вывести следующее заключение: чем ниже температура, тем легче, т. е, при меньшем давлении, можно произ­вести сжижение паров. Этот закон является общим и намечает те вехи, по которым следует идти в деле сжижения не только паров, но и газов, и вместе с тем указывает необходимость одновременного при­менения для этой цели и холода и давления.

В заключение следует указать, что при увеличении давления испытываемого насыщенным паром сверх его собственной упругости, пар сжижается, и это явление продолжается при том же давлении до полного сжижения.

Обратимость явлений испарения и сжижения.

Если трубку, погруженную до полного исчезновения пространства, занятого парами и столь же полного их сжижения, начать постепенно вытаскивать из ртути, в которую она погружена, то мы будем свидетелями тех же явлений, которые мы видели при ее погружений, по в обратном по­рядке.

Жидкость начнет кипеть и, по мере поднимания трубки начнут снова образовываться пары, но в данном случае, как и ранее, уровень ртути в трубке останется неизменным до тех пор, пока жидкость будет в избытке.

Этот обратный порядок явлений нам ясно показывает, что кипе­ние и сжижение представляют собою обратные друг другу - процессы; они происходят при одинаковой температуре, под одним и тем же давлением, с той только разницей, что при кипении существует незна­чительное преобладание упругости пара над давлением, а при обрат­ном явлении – сжижении - незначительное преобладание давления над упругостью насыщенного пара.

Другими словами, при определенной температуре жидкости, пары ее обладают вполне определенной упругостью, и если давление в за крытом сосуде, в котором находится жидкость, несколько ниже, чем эта упругость (случай постепенного вытаскивания погруженной в барометрической трубки), то мы будем наблюдать кипение, наша жидкость постепенно испарится, при постоянном давлении.

Если же, наоборот, давление стремится к некоторому преобладанию упругостью пара (погружение барометрической трубки или е насыщенных паров в закрытом сосуде, имеющем ту же температуру, что и пары), пар конденсируется, и мы будем наблюдать сжижение. Таким образом, температура кипения какой-либо жидкости, под определенным давлением является в то же время и температурой сжижения насыщенных, паров этой жидкости, при том же давлении.

Теплота сжижения.

Обратимость явлений в нашем опыте проявляется не только в испарении и сжижении. Мы уже видели, что одним из наиболее существенных факторов, характеризующих кипение, является поглощение громадного количества тепла, так называемой, теплоты испарения.

Естественно, что в тот момент, когда пар переходит в жидкое состояние, вся эта теплота освобождается - это теплота сжижения. Если сжижение происходит при той же температуре и том же давлении, как и кипение, то ясно, что вследствие своего происхождения теплота сжижения в точности равна теплоте испарения.

Таким образом, пар, сжижаясь, выделяет большое количество тепла; понятно, во избежание приостановки сжижения необходимо то тепло удалять по мере его выделения, В вышеописанном опыте эта роль выполнялась той вспомогательной жидкостью, которая циркулирует в стеклянной муфте, окружающей барометрическую трубку и поддерживает желаемую постоянную температуру. Если бы этого не было, то при погружении трубки в ртуть, теплота, выделяющаяся вследствие сжижения, увеличила бы упругость пара, начавшееся было сжижение прекратится, и все наши выводы были бы направлены по ложному пути. Предполагаем, что все эти опыты, так же как и последующий происходят при постоянной температуре. Явлением освобождения громадного количества тепла при конденсации пара пользуются для нагревания; далее мы увидим, какую пользу приносит это явление при извлечении кислорода из воздуха посредством его сжижения.

Сжижение путем простого охлаждения.

Возьмем газ, сообщающийся с атмосферой или заключенный в газометр и, вследствие этого, подверженный атмосферному давле­нию; предположим сначала, что он находится при обычной, темпе­ратуре. Так как он уравновешивает атмосферное давление, то, оче­видно, упругость его равна одной атмосфере. Как уже указывалось, “упругость насыщенного пара какой либо чрезвычайно летучей жидкости при обычной температуре равна нескольким атмосферам”, т. е. необходимо давле­ние в несколько атмосфер, чтобы превратить этот газ в насыщен­ный пар. Итак, повторяя сказанное, мы снова указываем, что наш газ, представляет собою пар, очень далекий от состояния насыщения. Начнем же его постепенно охлаждать. Упругость насыщенного пара по мере понижения температуры, становится все меньшей. И так как собственная упругость нашего газа все время остается равной одной атмосфере, следует заключить, что вследствие охлаждения разность упругостей газа и насыщенного пара все время уменьшается; газ все более и более приближается к состоянию насы­щения. Последнее будет достигнуто, когда температура будет пони­жена до того предела, при котором упругость насыщенного пара тоже равняется одной атмосфере. Таким образом, достаточное охлаждение превратило наш газ в насыщенный пар, и если произ­вести дальнейшее охлаждение, то атмосферное давление пересилит упругость пара и произойдет сжижение.

Если при этом атмосферное давление будет действовать на газ находящийся при температуре несколько более низкой, чем та, кото­рая, - соответствует упругости насыщения в одну атмосферу, и если отводить теплоту сжижения, то, естественно, сжижение будет продол­жаться до полного исчезновения пара. Если же, наоборот, пар при этой температуре был заключен в закрытый сосуд с неизменяющимся объемом, то сжижение будет уменьшать внутреннее давление, поэтому конденсация окончится в тот момент, когда внутреннее давление бу­дет доведено до упругости насыщенного пара, соответствующей достигнутой температуре,

Такова техника сжижения путем простого охлаждения, и мы уже говорили, что нет никакого предела применению этого про­цесса и что можно вызывать сжижение самых трудно сжижаемых га­зов, если охлаждение будет достаточно энергичным. Непрерывное и быстрое понижение упругости пара при понижении температуры является в действительности явлением общим для всех, абсолютно, газов и для каждого газа всегда существует та достаточно низкая температура, при которой эта упругость будет не более I атмосферы. Монж и Клуэ в конце ХVIII века с помощью этого способа добились одного из первых сжижений, которое было отмечено в истории физики. Пропуская сернистый ангидрид в U-образную трубку, погруженную в охлаждающую смесь из льда и соли, они заметили, что эта трубка потихоньку наполняется бесцветной, очень подвижной жидкостью, сильно напоминающей воду - жидким сернистым ангидридом. И на самом деле, при -10°С, температуре, получаемой очень легко при помощи смеси из льда и соли, упругость насыщения сернистого анги­дрида равна, приблизительно, только 0,9 ат­мосферы. Следовательно, газообразный сер­нистый ангидрид в U-образной трубке не может противопоставить атмосферному давлению доста­точную силу упругости и вследствие этого сжи­жается. Плотность жидкого сернистого ангидрида, приблизительно в полтора раза больше плотно­сти воды. В согласии с теорией, жидкий сернистый ан­гидрид, помещенный в открытом сосуде, под атмосферным давлением принимают температуру в -8°С, температуру, при которой упругость его паров равна одной атмосфере. С этой жидко­стью проделывают опыт, который с очевидностью доказывает невоз­можность даже с помощью чрезвычайно мощных источников тепла изменять температуру кипения жидкости при атмосферном давлении. Поместим в огонь сосуд, наполненный жидким сернистым ангид­ридом: температура жидкости останется равной -8°С и будет все время держаться на этом уровне из-за быстрого испарения. Если мы теперь в эту жидкость нальем некоторое количество воды, последняя мгно­венно замерзнет и из имеющегося перед нами очага, дающего много тепла, мы сможем вынуть кусок льда - явление, поражающее своей необычностью и - служащее ярким доказательством справедливости вышеуказанного утверждения. При температуре 20°С, в стальных баллонах, которые служат для хранения сернистого ангидрида для нужд промышленности и, в частности, для холодильных машин, упругость паров его равна приблизительно 3,2 атмосферы.

Способ, аналогичный описанному, был применен Гюитоном де Морво для сжижения аммиака; но у этого газа упругость насыщен­ных паров только при -33,5°С равна одной атмосфере. Смесь льда и соли, максимально может понижать температуру -21°С, и поэтому не годится в данном случае; Гюитон де Мор добился успеха только тогда, когда применил смесь льда и хлори­стого кальция, которая дает минимальную температуру близкую к -50°С. Вид жидкого аммиака так же, как сернистого ангидрида и многих, сжиженных газов, по внешности схож с водой. Его темпера­тура на открытом воздухе - 33,5°С, т. е. другими словами при этой температуре упругость его паров равна 1 атмосфере.

При +20°С упругость паров аммиака равна 85 атм.; под этим давлением его нагнетают в стальные баллоны для хранения.

Сжижение простым давлением.

Напомним снова, что газ, находящийся под атмосферным давле­нием, представляет собой чрезвычайно далекий от состояния насыще­ния пар, но если при помощи насоса нагнетать все увеличивающиеся количества этого газа в какой-нибудь закрытый сосуд, температура которого поддерживается постоянной, то давление начнет возрастать. При этом может, наступать момент, когда возрастающая таким образом упругость газа станет равной напряжению, которым обладает насыщенный пар при этой температуре, вследствие чего сам газ заключенный в сосуде, превратится в насыщенный пар; я подчеркну, что наступление этого момента только возможно, имея в виду, что упругость насыщения некоторых газов при обыкновенной температуре равна бесконечности.

Но предположим, что с тем газом, который мы взяли для опыта, нам удалось достичь состояния насыщения при помощи простого уве­личения давления. Мы знаем, что с этого момента дальнейшее увели­чение упругости газа становится невозможным, так как нагнетание нового количества газа в сосуд, поведет к тому, что некоторое коли­чество газа, в точности равное нагнетаемому, перейдет в жидкое состояние. В дальнейшем, по мере подачи в сосуд газа и удаления, теплоты сжижения, конденсация будет совершаться беспрерывно.

Таким именно способом было осуществлено первое известное, науке сжижение, при чем и на этот раз, как это нередко бывает, от­крытие было сделано случайно. Знаменитый Ван Марум, пользуясь аммиаком, проверял в 1792г. точность закона Марио. Для этого он заключил определенное количество названного газа в градуированную пробирку, в которую с помощью насоса могла подаваться ртуть, чтобы сжимать газ Начало опыта протекало так, как и предполагал экспери­ментатор, но вдруг, к удивлению ученого, подъем ртути ускорился и газ совершенно неожиданно превратился в несколько капель прозрачной жидкости. При обыкновенной температуре, скажем при 15°С, упругость насыщения аммиака равна 7,2 атм. и так как давление в приборе Ван Марума легко могло дойти до этой вели­чины, то, если бы предусмотрительным экспе­риментатором не был взят сосуд с доста­точно толстыми стенками, мог бы произойти взрыв. Мы уже знаем, что все жидкие тела могут испаряться. Одни жидкости при данной температуре испаряются быстро, другие - медленно. При этом они превращаются в пар, т. е. переходят в газообразное состояние. Естественно поставить вопрос, можно ли газ превратить в жидкость? Каким путем можно этого достигнуть? Если мы имеем ненасыщенный пар воды или эфира и будем сжимать их, то сначала их давление будет увеличиваться, подобно тому как это имеет место для обычных газов. Однако увеличение давления будет происходить только до тех пор, пока давление не достигнет давления насыщенного пара при температуре опыта. После этого оно уже не будет больше расти, а пар начнет конденсироваться в жидкость. Объем, в котором производится сжатие, уже не будет заполнен однородным веществом - газом: появится граница между веществом в двух состояниях - жидком и газообразном.

Еще в начале прошлого столетия английскому физику и химику Майклу Фарадею (1791—1867) и другим исследователям удалось превратить таким образом в жидкость ряд веществ, известных до того только в газообразном состоянии. Они превратили в жидкость хлор и углекислый газ, сжимая их при возможно низкой температуре.

На рисунке показано приспособление Фарадея для сжижения хлора. В колене А запаянной стеклянной трубки помещен сухой гидрат хлора. При нагревании из него выделяется хлор. Конец трубки В помещен в охлаждающую смесь. В нем получается жидкий хлор. Для сжижения таких газов, как хлор или углекислота, их нужно сжать гораздо сильнее, чем пары эфира. Например, чтобы при температуре 20 °С превратить в жидкое состояние хлор, нужно давление 7 атм, а для углекислоты - 60 атм. Это - давления их насыщенного пара при температуре 20 °С.
Однако некоторые из газов (водород, азот, кислород и др.) оказались крайне упорными. Никакое доступное Фарадею охлаждение и давление в несколько тысяч атмосфер не вызывали сжижения этих газов. В чем была причина этих неудач? Решить этот вопрос удалось только после того, как было подробно изучено, каким образом плотности жидкости и ее пара зависят от температуры и давления. Оказалось, что неудача была вызвана не тем, что в то время не умели создавать достаточно большие давления, а тем, что не умели создать достаточное охлаждение. Незначительные шероховатости, неизбежные при научных изысканиях, легко сглаживаются тем огромным удовлетворением, которое дает оправдавший надежды опыт, и Фарадей не был бы тем вооду­шевленным экспериментатором, каким он известен, если бы ничтож­ные неудачи ослабили его настойчивость. Уже в течение достопамятного 1823 года, было осуществлено сжи­жение следующих газов: сернистый водород, полученный от взаимодей­ствия соляной кислоты и сернистого железа, был приведен в жидкое состояние при давлении в 17 атм. и температуре 10°С; сернистая кислота, полученная взаимодействием серной кислоты и ртути - была сжижена под давлением в 3 атмосферы при 7,5°С; даже закись азота получавшаяся нагреванием азотноаммониевой соли, была сжижена под давлением в 50 атм., и, наконец, были сжижены циан - под давле­нием в 3,7 атм. и углекислота - под давлением в 36 атм. Вот те успехи, которые в первый же год дополнили список побед, одержан­ных Фарадеем и, понятно, побудили его к дальнейшим работам в этом направлении. Спустя много лет в столь простой открытый Фарадеем метод сжижения газов было введено Мельсенсом чрезвычайно интерес­ное изменение, позволяющее производить очистку обрабатываемых газов. Известно, что древесный уголь обладает способностью жадно поглощать громадные количества различных газов, которые при некотором повышении температуры выделяются снова. Это свойство чрезвычайно возрастает при низких температурах и в дальнейшем будет рассказано об очень интересных применениях этого явления. Вместо того, что бы помещая в трубку Фарадея различные, перечисленные выше реактивы, получать, при их взаимодействии влажные и даже загрязненные различными примесями газы, Мельсенс решил заполнять нагреваемый конец трубки древесным углем, предварительно насытив его тщательно очищенным газом, который желают сделать жидким.

Аппарат Тилорье.

Трубка Фарадея дает возможность произво­дить сжижение газа только в очень незначительных количествах. Для возможности изучения свойств этих необыкновенных тел необходимо получение их в больших количествах. Преследуя эти цели Тилорье внес в аппарат Фарадея неко­торые очень остроумные видоизменения и тем самым приспособил его для сжижения некоторых газов и, главным образом, углекислоты в довольно значительных количествах. В настоящее время углекислота является продуктом, имеющим широкое распространение; винотор­говцы взяли ее под свое высокое покровительство, что является для будущности этого продукта науки более важным, чем все те услуги, которые он может оказать в лабораториях. В настоящее время в про­мышленности получают жидкую углекислоту, с большей легкостью, чем это позволял делать вышедший ныне из употребления аппарат Тилорье, но той значительной ролью, которую он сыграл в истории науки, он заслужил хотя - бы краткого описания. Этот аппарат, в сущности говоря, представляет собой ту же трубку Фарадея, но только большой емкости. Прежде его изго­товляли из чугуна, но после происшедшего в 1840 году в фармацевтической школе несчастного случая, стоившего жизни сотруднику школы Гервею, он был переконструирован Донни и Мареска и получил следующий вид: два цилиндра из красной меди, скреплен­ные обручами и выложенные изнутри свинцом играют роль двух колен трубки Фарадея. Один из этих цилиндров, показанный в левой части рисунка, подвешен на цапфах, и в нем содержатся те вещества, которые при взаимодействии дадут нужный газ: пусть это будет, с одной стороны, определенное количество двууглекислой соды и, с другой стороны, серная кислота, налитая в латунное вед­рышко. Другой сосуд, предназначен для сжиже­ния полученного газа. Для пуска аппарата в ход, левый цилиндр, после загрузки в него указанных выше веществ плотно закрывается, затем его повора­чивают на цапфах до тех пор, пока вся серная кислота не выльется на двууглекислую соду. Происходит реакция, выделяется углекислый газ, который ввиду незначительности имеющегося в сосуде свободного пространства, принужден занять малый объем, т. е. подвергнуться сильному сжатию; но все же он не сжижается сейчас же, так как при поднявшейся вследствие реакции температуре, упругость насы­щения становится огромной. Если же теперь соединить оба сосуда с помощью трубки, и если при этом открыть кран газ перейдет в правый сосуд и сжижится под давлением, которое даже при 15°С еще равно 50 атм. Из последнего видно, что давления, возни­кающие в сосудах, довольно значительны, и поэтому аппарат должен быть сконструирован достаточно прочно. Если теперь открыть кран, имеющийся на цилиндре, то из него начнет с большим напором вырываться образовавшаяся в сосуде жидкость; при этом произойдет обильное испарение, сопровождаю­щееся громадным поглощением тепла, влекущим за собой охлаждение неиспарившейся части ниже ее точки замерзания; вследствие этого она превратится в белый снег, совершенно идентичный с обыкновен­ным снегом, который, можно собрать (при этом произойдет образова­ние многочисленных электрических искр, получающихся в результате интенсивного трения), направляя выходящую струю в мешочек из какой-либо ткани. Мы уже знаем, что оставленная на открытом воздухе сжиженная углекислота должна дойти до температуры при которой ее упругость равнялась бы одной атмосфере. Эта температура не менее -79°С, а так как температура замерзания только -56°С, то, очевидно, неиспарившаяся часть должна перейти в твердое состояние; следовательно, жидкая углекислота при атмосферном давлении не может существовать и образуемый ею снег отличается от обыкновенного снега тем, что он испаряется не плавясь.

Если этот снег заключить в закрытый сосуд, например, в запаянную стеклянную трубку, то под влиянием окружающего тепла испарение будет постепенно увеличивать давление; в определенный момент это давление дойдет до 5 атм., и температура таяния углекислоты -57°С будет достигнута; увеличение давления приостановится, и снег пре­вратится в жидкость, которую можно снова превратить в твердое состояние, на этот раз в виде прозрачного тела, погрузив трубку на несколько мгновений в твердую углекислоту, находящуюся на открытом воздухе. Ввиду того, что при подобных опытах давление возрастает до значительных размеров, они должны сопровождаться соблюдением сугубой осторожности. Твердая углекислота, положенная на руку, не вызывает интенсив­ного ощущения холода, как это следовало бы ожидать, зная, что ее температура равна -79°С. Это обстоятельство объясняется тем, что между твердой углекислотой и кожей нет достаточно плотного соприкосно­вения. Доказательством этого служит следующий опыт: если по при­меру Тилорье поместить снег углекислоты в эфир, то получится смесь с температурой в -79°; палец, опущенный в эту смесь, будет сильно обожжен. Однако, этот ожог не всегда сейчас же проявит себя резкой болью, так как холод часто вызывает потерю чувствительности. В этом отношении особенно коварной является смесь из спирта и твердой углекислоты. Ощущение холода мало интенсивно, если в эту смесь опустить палец или даже взять ее в рот. Д'Арсонваль проделал любопытный опыт, погружая в спирт и постепенно охлаждая с помощью углекислоты морскую свинку, которая ничем не реагировала на происходящее с ней и продолжала с философским спокойствием грызть свою морковку до того момента, пока она не превратилась в твердый комок и челюсти не отказались ей служить. Испаряя в пустоте эту полужидкую массу согласно уже приве­денным объяснениям получают очень низкую температуру, могущую дойти до -110°. Это крупное достижение, полученное с такой относительной легкостью в 1840 году при помощи аппарата Тилорье, позволило Фарадею пойти далеко вперед в изучении проблемы сжижения газов.

Сжижение при помощи одновременного сжатия и охлаждения.

Дальнейшие опыты Фарадея.

Мы уже видели, что при своих первых опытах Фарадей хотел с помощью одного только сжатия привести газ к сжижению. Это странно, так как до Фарадея опыты, производившиеся Монжем, Клуэ, Гюитоном де Морво, так же, как и почти аналогичные опыты Бюсси, произведенные в 1821 году, показали с большой очевидностью, что и для газов холод является могущественным средством воздействия. Когда в 1845 году Фарадей снова принялся за уже высказан­ную, но недостаточно проработанную Колладоном, а впослед­ствии и Наттерером, мысль об одновременном применении этих обоих методов, он подошел вплотную к проблемам, над которыми до этого тщетно трудились многие ученые. Мы указали выше на смысл применения этого способа, при чем отметили, что чем ниже та температура, при которой проис­ходит процесс, тем меньше то давление, которое нужно осуществить, чтобы насытить газ, а следовательно, меньше и то давление, которое необходимо для сжижения. Точно также уже было сказано, что влияния только одного холода всегда достаточно для сжижения какого-либо газа. Но в этих случаях иногда приходится доходить до тех чрезвычайно низких температур, при которых давление сжижения обрабатываемого газа снижается до 1 атм. Если же, наоборот, вместе с холодом в процессе примет участие еще и давление, то температуру придется снижать только до того более легко достижимого предела, при котором упругость насыщения соответствует давлению, осуще­ствляемому имеющимися в нашем распоряжении аппаратами. Иначе говоря; вместо необходимости использования либо чрез­мерного холода, либо громадного давления мы имеем возможность получить нужный эффект более легким путем, а именно, путем одно­временного использования умеренного давления и не слишком интен­сивного холода. Вместе с тем, применяя достаточно высокое давле­ние и сильный холод, мы будем владеть тем средством, которое даст нам возможность покорить и самые устойчивые газы. Именно таковым и является метод, осуществленный Фарадеем с помощью такого могучего средства воздействия, как испарение смеси Тилорье под уменьшенным давлением. Уверенность Фарадея в правильности избранного им пути была столь велика, что он не искал других путей и для превращения в жидкость водорода и кислорода, уже в то время получивших известность по тем тщет­ным усилиям, которые для разрешения этой задачи были затрачены некоторыми физиками. В своем новом аппарате Фарадей не использовал сжатия, получающегося в результате выделения сжижаемых газов, так как газы, которые предполагались к опытной работе и, главным образом, водород, кислород и азот не всегда легко поддавались очистке в его первоначальном примитивном аппарате. В этом аппарате изучаемый газ, предварительно очи­щенный и осушенный, последовательно проходит через два насоса, которые подымают его давление сначала до 16-20 атм., а затем, по мере надобности, до 50; после этого он попадает в U-образную трубку, в которой находится небольшой манометр со сжатым воздухом, предназначенный для определения давления в каждый данный момент, путем перемещения ртутного столба в капиллярной трубке, заполненную воздухом, И - образная трубка окружена охлаждающей смесью Тилорье, а сам аппарат, в случае надобности, может, быть, как это показано на рисунке, помещен под колокол воздушного насоса. С помощью этого аппарата были по­лучены изумительные результаты. Не только упрямившиеся до сих пор газообразные: соляная, бромистоводород­ная, иодистоводородная и кремнефтористо-водородная кислоты, мышьяковистый и фос­фористый водород, а также и этилен были легко сжижены, но даже большинство га­зов, подвергнувшихся этим опытам были заморожены: так, сернистый водород при­нял форму белой кристаллической массы, похожей на камфору; закись азота приняла форму красивого бесцветного кристалли­ческого тела, хлорноватистая кислота - рых­лой, кристаллической массы красного цвета и т. д. А ведь это почти точное и окон­чательное подтверждение пророческого предвидения Лавуазье.

Однако, несмотря на все усилия, Фарадей оказался не в состоя­нии сжижить те газы, которые являлись целью его трудов; пять газов: водород, азот, кислород, окись углерода и метан неизменно противо­стояли его самым настойчивым попыткам.

Критическая точка.

Новые неудачи и их причины.

Неудача Фарадея побудила многих физиков взяться за изучение этого вопроса. В 1838 году Могам сжимал водород и кислород постепенно увеличивающимся давлением, которое полу­чается при самом электролизе воды. Эта остроумная комбинация не привела к каким-либо положительным результатам, при чем автор ее высказал поистине замечательное для его эпохи соображение, что про­изводство этого опыта с применением достаточно низкой температуры должно безусловно привести к положительным результатам и обес­печить успех.

В 1843 году Эме, пользуясь теми громадными давлениями, ко­торые существуют в морских глубинах, не получил лучших результа­тов, сжимая кислород и водород до 220 атм., при помощи погружения этих газов на глубину свыше 2 километров. В дальнейшем было затрачено много новых усилий, но все они, к сожалению, основывались на преувеличенном значении давления и недостаточно оценивали необходимость понижения температуры. В 1850 году Вертело удалось получить огромные давления в чрезвычайно остроумном и изящном приборе. Он помещал изучаемый газ в трубку простого термометра и нагреванием производил подъем ртути; последняя оказывала на газ все возрастающее давление, до­ходившее к концу опыта до громадных величин. В таком приборе кислород был подвергнут давлению в 780 атм., и все-таки даже, когда трубка была охлаждена в твердой углекислоте, не было обнаружено ни малейших признаков приближающегося сжижения. В 1854году Наттерер сумел получить колоссальную для давле­ний величину в 2800 атмосфер; под этими громадными давлениями сокращенные до ничтожной доли своего первоначального объема испытуемые газы героически оставались верными своей природе, ста­новясь более плотными, чем вода, но не сдаваясь! И с этих пор несжижаемые газы стали называться постоянными газами. Наука, не терпящая поспешных заключений, вскоре доказала всю неосмотрительность, которая была проявлена при определении непод­дающихся сжижению газов, как газов постоянных. Эти, столь долго сопротивлявшиеся усилиям ученых, желавших превратить их в жидкость, газы суть: водород, азот и кислород (все три - элементы) и два соединения углерода - окись углерода (СО) и (СО2). Муассан в 1866 г. к этому ряду добавил еще фтор, а впоследствии этот список был дополнен еще одним замечательным элементом гелием, который вследствие какой-то необъяснимой стран­ности, наши ученые, достойные последователи астролога Фонте нашли раньше на солнце, прежде чем обнаружили присутствие во вдыхаемом ими воздухе. Сюда можно было бы прибавить еще и вновь открытые элементы: неон, аргон, криптон, и ксенон, обнаруженные уже в послед­нее время в атмосферном воздухе в компании с гелием. После того, как Фарадеем были произведены опыты, при которых были использованы не только очень низкие температуры, но и достаточно высокие давления, и которые не привели в отношении постоянных газов к положительным результатам, трудно было рассчи­тывать, думается нам, получить успех, пользуясь только одним давле­нием или даже применяя одновременно с последним и некоторое охлаждение. Если у кого-нибудь и были основания с некоторой надеж­дой на успех пытаться производить опыты, применяя высокие давле­ния, то это был Фарадеq. И если он не счел нужным при своих опытах применить давление свыше 50 атм., то это было, не из-за невозможности их создать, а вследствие изумительного ясновидения, благодаря которому он отказался от бесплодных по его мнению усилий.

Работы Каньяр де ля Тура и мнение Фарадея.

Опыты осуществлен­ные в 1821 г. Каньяр де ля Туром прошли почти незамеченными, но не ускользнули от внимания Фарадея и помогли ему разгадать при­чину постигших его неудач. Нагревая различные жидкости в закры­тых, почти целиком заполненных сосудах, Каньярделя Тур наблю­дал, что эти жидкости при определенной температуре внезапно превра­щались в газы. При этом превращении объем их оставался без изменения, в силу чего образующееся при этом давление должно было быть очень высоким. “Очевидно, при этой температуре”, писал Фарадей, никакое увеличение давления, как бы велико оно ни было, не может сжижить образовавшийся газ. Следовательно, возможно, что для кис­лорода, азота и водорода температура -110°C выше этой нужной, а поэтому нельзя ожидать, чтобы какое бы то ни было давление, (не сопровождаемое большим понижением температуры, чем то, кото­рого достигают) могло заставить эти элементы изменить газообраз­ному состоянию. Вертело после постигших его в этом направлении неудач, держался того же мнения, и известные опыты Эндрьюса вскоре доказали безусловную правоту этой теории: температура, выше кото­рой, согласно Фарадею, невозможно сжижение данного газа, как бы мощно ни было применяемое давление, существует в действитель­ности и называется критической температурой. В период от Фарадея до Эндрьюса, с 1845 до 1863 года следует отметить несколько интересных работ. Дрион, который уже в 1845 году, проверил над сжиженными газами результаты, полученные Каньяр де ля Туром, в 1859 году заметил, что при нагревании жидкостей под давлением, расширение их быстро растет и, когда достигает пределов при которых жид­кость внезапно переходит в газообразное состояние, становится по­добным расширению газов. В 1861 году Менделеев сделал другое чрезвычайно важное наблюдение: он констатировал, что при тех же обстоятельствах теп­лота испарения жидкости постепенно уменьшается и доходит до куля при температуре внезапного превращения в газ, которую он назвал точкой абсолютного кипения. Наблюдение Менделеева доказывает, что в этих условиях вещество легко переходит из одного состояния в другое при очень незначительных колебаниях температуры. А это является новым дока­зательством непрерывности перехода от жидкого к газообразному состоянию. Таким образом, мы проследили все этапы развития интере­сующего нас вопроса и подошли к 1863 году и первым работам Эндрьюса.

Опыты Эндрьюса.

Этот великий ученый начал свои исследования постоянных газов, подвергая их одновременному влиянию давления в несколько сот атмосфер и температуры в пределах от -75°С до -110°С.

Подобно Фарадею он потерпел неудачу, несмотря на то, что он внес корректив, подвергая газы высоким давлениям при уже очень низких температурах. Все его попытки не давали положительных результатов. Таким образом, предвидения - его великого предшествен­ника получили новое и веское подтверждение. Тогда, отчаявшись, ученый поступил чрезвычайно благоразумно, обратившись к разреше­нию более простой задачи - к сжижению углекислого газа, с тем, чтобы уточнить те различные обстоятельства, которые происходят при этом процессе. Разрешая эту задачу, кажущуюся очень неслож­ной, он получил возможность шесть лет спустя создать общую тео­рию сжижения и развить идеи о последователь­ности жидкого и газообразного состояния тел. При первых же наблюдениях Эндрьюса, им были отмечены любопытные факты. Этот экспериментатор, при помощи давле­ния, производил частичное сжижение газа, раз­деляя его на жидкую и газообразную части, ко­торые затем подогревались до 31°С. При этой температуре все признаки существования жид­кости и мениск ее исчезали, и пространство оказывалось занятым однородной материей, в которой при малейшем уменьшении давления или температуры появлялись какие-то струйки. Эндрьюс констатировал, что при превышении температуры, при которой состояние жидкости не отличается от газообразного состояния ве­щества, переход газа в жидкое состояние невоз­можен, кап бы ни было велико давление, под которым газ находится. Таким образом, при температуре выше 31°С углекислый газ приобретает свойства истинного постоянного газа. А ведь это дает основание предполагать, что и по­стоянство наших газов зависит от тех же причин и что их сопроти­вляемость сжижению есть тоже только вопрос температуры. Воодушевленный благоприятным началом, Эндрьюс пред­принял более методичное и более полное изучение замеченного фено­мена и для этой цели сконструировал следующий аппарат. Тщательно откалибрированная трубка Т, вмазана в металлический сосуд А, снабженный винтовой нарезкой, по которой ходит безуко­ризненно уплотненный сальником винт V. Трубка и часть цилиндра заполнены углекислым газом; часть цилиндра свободная от газа заполнена ртутью, которая при ввинчивании винта V в цилиндр А действует на газ как поршень и перегоняет его мало-по-малу в кали­брированную трубку. Вторая система А, Т, V заключает в себе ртуть и воздух и связана с первой посредством трубки С, проходящей ниже уровня ртути. Таким образом, углекислый газ и воздух в каж­дый данный момент подвержены равным давлениям, и так как воздух, в условиях опыта, достаточно точно подчиняется закону Мариотта, то трубка Т представляет собой ничто иное, как манометр с сжатым воздухом, показывающий в каждый данный момент то давление, ко­торое он испытывает.

Кривые Эндрьюса для углекислого газа.

Результаты этих опытов изображены "на рисунке, в виде кривых, при чем по оси абсцисс отложены объемы, занимаемые углекислым газом, а по оси ординат - соответствующие давления. Каждая из кри­вых I, II, III, IV и V относится к ряду опытов, проведен­ных при одной и той же температуре. Оперируя вначале при до­вольно низких температурах, Эндрьюс получил те же результаты, что и его предшественники. Так, например, при 13,1°С объем последовательно уменьшается, при увеличении давления - до того момента пока последнее не дои дет до 50 атм. Эта фаза дает отрезок кривой, отмененный бук­вами АВ. В этот момент появляется первая капля жидкости. При дальнейшем ввинчивании винта V объем продолжает уменьшаться. Количество жидкости постепенно увеличивается, пока не наступит общее сжижение. Эта фаза дает отрезок ВС, который показывает, как это констатировал Эндрьюс, что во все время продолжающе­гося сжижения давление остается постоянным, а мы хорошо знаем, что так и должно быть, так как для сжижения нужно, чтобы давле­ние только превысило строго определенную и постоянную при дан­ной температуре упругость углекислого газа. Между прочим за время от начала до конца сжижения, происходит небольшое, равное 1,5 атм., увеличение давления, но эта аномалия должна быть отнесена за счет присутствия в углекислом газе следов воздуха, который, как мы это увидим при изучении сжижения газовых смесей должен оказывать именно такого рода влияние.

На кривой I отрезок ВО, соответствующий, как указы­валось выше, фазе сжижения, параллелен оси абсцисс, а это наглядно показывает, что во время этого периода происходит уменьшение объема, а давление не увеличивается.

При давлении около 50 атм., все при той же температуре в 13,1°С, весь наш газ сжижится; с этого момента очень значительные увели­чения давления смогут только очень немного уменьшить объем, так как жидкость становится при этой температуре очень мало сжимаемой; эту фазу показывает отрезок СП.

При 21°С характер процесса остается тем же. Здесь следует отметить, что отрезок А' В' более развернут, чем АВ, к, что для получения сжижения давление должно быть более повышенным, достигая величины равной, приблизительно, 60 атм. Как и в предыду­щем случае сжижение полностью происходит при постоянном давле­нии, но можно констатировать, что объем при окончании сжижения несколько больше, чем при 13,1°С, что вполне понятно, раз мы имеем дело с более теплой жидкостью.

При 25°С, 30°С наблюдения дают те же результаты: весь газ пере­ходит в жидкое состояние, но приходится по мере повышения тем­пературы применять все большие, и большие давления. Кроме того, горизонтальная часть кривой, представляющая собой значитель­ную величину в кривых, относящихся к 13,1°С и 21°С, все уменьшается и при 30°С становится совсем ничтожной; это показывает, что при этой температуре, в противоположность тому, что наблюдалось, на­пример, при 13°С, почти не происходит сокращения объема в момент сжижения и из этого можно заключить, что к моменту сжижения газ имеет почти ту же плотность, как и образующаяся из него жидкость. Если теперь предпринять новый ряд опытов, но на сей раз при температуре в 31,1°С, то характер- происходящих при этом явлений. в корне изменится, и как бы велико ни было то давление, которому мы подвергнем газ, мы не сумеем получить ни одной капли жид­кости. Строя на основании полученных при этих опытах данных кривую III, мы увидим, что вместо резко очерченных углов А1>0, получавшихся при более низких температурах, мы имеем почти плавную кривую. Эта кривая при давлении около 75 атм. становится почти горизонтальной, Происходящее в этой точке уменьшение объема хотя и требует увеличения давления, но это увеличение не является значительным. Таким образом, здесь наблюдается почти сжижение и казалось бы можно заключить, что конденсация неизбежна и что она, безусловно, наступит. Однако, эти надежды напрасны, так как эта сильная сжимаемость быстро проходит, и, как показывает характер кривой С’1>Е, которая с этого момента идет почти параллельно оси давлений, приходится оставить все мечты о сжижении, и дальнейшее увеличение давления будет только бесполезной затратой энергии.

Критическая точка и определяющие ее условия.

Итак, при 30°С наш газ полностью превратился в жидкость; при 31,1°С он с успехом противостоит всем нашим усилиям. Очевидно, между этими двумя пределами заключена точка, которую Эндрьюс так метко назвал критической точкой и которая для углекислого газа равна 30,9°С. Проделаем при помощи прибора Эндрьюса новую серию опытов, на этот раз при температуре 30,9°С. Мы заметим, что с иссле­дуемым нами телом, которое безусловно следует классифицировать как газ, произойдут все те явления, которые в свое время, Каньяр де ля Тур установил для жидкостей: углекислота, находящаяся под сильным сжатием в 70 атм. может при очень незначительных изме­нениях давления или температуры, сразу, и полностью перейти из жидкого состояния в газообразное. Что касается кривой, изображаю­щей явления, происходящие при 1~ 30,9°С то ее горизонтальная часть BС, которая, как мы уже указывали при 30°С становится очень незна­чительной, в данном случае представляет собой только точку, являю­щуюся точкой перегиба и соответствующую критическому объему. Касательная к кривой, проведенная в этой критической точке, гори­зонтальна и пересекает кривую. Вот все те интересные условия, которые определяют критиче­скую точку углекислоты.

Прежде всего, это температура, выше которой невозможно пре­вратить углекислоту в жидкость только одним давлением, независимо от величины последнего.

Следующее, это то, что при этой температуре материя без изме­нения объема переходит из газообразного состояния в жидкое или наоборот, и как следствие этого и в жидком, и в газообразном состоя­ниях плотность остается неизменной.

Наконец, этим самым Эндрьюс подтвердил те выводы, которые в свое время сделал Менделеев: неотличимость газообразного от жидкого состояний объясняет, почему теплота испарения, постепенно уменьшающаяся вместе с увеличением температуры, в кри­тической точке доходит до нуля, это показывает постепенное умень­шение, а затем и полное исчезновение силы сцепления частиц жид­кости между собой.

Классификация газов по их сжижаемости.

Исключительные по своему значению выводы, полученные Эндрьюсом впредь до более обширного исследования, могли быть отнесены только к одной углекислоте. Сам Эндрьюс задался целью доказать, что эти выводы могут быть приложены и к окиси азота, и к хлористому метилу. После этого, а также и на основании предшествовавших опытов Каньяр де ля Тура, становилась весьма вероятной общность этих выводов для всех газов, согласно предвидения Фарадея; в этом, повидимому, секрет сжижения “постоянных” газов. Последующие события, как мы уже говорили, показали справед­ливость этого мнения. Из всего сказанного следует, что газы с точки зрения их сжижае­мости могут быть разделены на две категории.

1. Газы, критические температуры коих выше нормальной тем­пературы в нашем климате; каковы углекислота, критическая темпе­ратура которой равна 31°С; ацетилен t = 37°С; хлор t = 140°С; сернистая кислота t = 155°С и т. д. Очевидно, что в обычных условиях эти газы находятся при температуре, которая ниже их критической, и нет ничего удивительного в - том, что при первых же попытках физиков прошлого века, Фарадея, Тилорье и других, им удалось сжижить эти фазы, применяя для этого только одно давление, достаточное для каждого отдельного случая.

2. Газы, критические температуры коих -ниже обычной темпе­ратуры окружающей нас среды. Эти газы при обыкновенных для на­шей планеты температурных условиях, всегда имеют температуру, .которая выше их критической температуры. В силу этого для их приведения в жидкое состояние, действия только одного давления будет всегда недостаточно и для их сжижения необходимо будет прибег­нуть к помощи предварительного энергичного охлаждения ниже их критической температуры. Очевидно, газы, которым столь неосмотри­тельно была дана кличка “постоянных” принадлежат к этой категории. Эти газы характеризуются такими чрезвычайно низкими критическими температурами, о которых еще несколько десятилетий тому назад не имели даже представления.

Было установлено, что для кислорода, критическая температура равна -8°С (вспомним, что Фарадей производил свои опыты при температуре только немного более высокой при -110°С, для окиси углерода -136°С, азота -146°С, водорода -242°С и у гелия критическая температура равна поистине фантастической цифре в -268°С, вблизи от той предельной температуры в -273°С, которую физики на основании научных концепций определили, как крайний предел возможных тем­ператур, и которую они вследствие этого назвали абсолютным нулем. Таким образом, с очевидностью выясняется неизбежность участия чрезвычайно интенсивного охлаждения в сжижении перечисленных газов, а также становятся понятными причины неудач опытов тех физиков, которые возлагали свои надежды, главным образом, на без­граничное увеличение давления. Следует отметить, что как только достигнуто охлаждение до критической температуры, постоянные газы начинают сжижаться под влиянием, сравнительно, незначительных давлений; так, для азота это давление равно 33 атм., для кислорода - 50 атм., для водорода - 20 атм. и для гелия - 2,75 атм.; если же газы охлаждены ниже критической температуры, то и эти скромные давления будут еще меньше. Таким образом, мы видим, что в деле сжижения газов, как и во всех дру­гих случаях надо было только знать, как взяться за дело и все те громадные давления, которые применялись учеными прошлого века при всяком случае, для данного дела были совершенно излишни.

Принадлежность газов к той или другой из двух указанных кате­горий целиком основана на той средней температуре, которую современные условия солнечной системы создали на нашей планете. Если бы мы жили на какой-нибудь из этих обледенелых планет, которые блуждают в пространствах нашей солнечной системы и на которых гос­подствуют температуры от -200°С до -250°С, нам не пришлось бы класси­фицировать кислород и азот, как постоянные газы, так как при этих: температурах эти газы текли бы в виде жидкости в наших ручьях или образовали бы, как об этом говорит Лавуазье; “горы и скалы чрезвычайно плотного строения”. И только водород и гелий, и при этих условиях оставаясь в газообразном состоянии, для превращения в жидкость ожидали бы настойчивости своего Эндрьюса и изобре­тательности своего Кальете.

Классификация Эндрьюса.

Необходимо еще отметить, что Эндрьюс, пораженный чрезвычайным значением критической температуры газов, предложил очень логичное определение для газов и паров. По его определению газами в собственном смысле этого слова, являются ве­щества, при такой температуре, при которой они не переходят в жид­кость под влиянием давления; все эти вещества находятся при темпера­туре, которая выше их критической. Пары же могут переходить в жидкое состояние под влиянием только одного давления: другими словами это вещества, имеющие температуру ниже их критической. Следствием этого-определения является то, что единственными действительными газами являются постоянные газы. Все же остальные газы являются парами. Несмотря на всю логичность этого определения, мы не можем его принять, так как оно заключает в себе то неудобство, что проти­воречит всем нашим привычным понятиям, классифицируя, как пары большинство тел, которые мы считаем газами, например, углекислоту, сернистый ангидрид и т. п. Поэтому мы сохраним, как тоже очень логичное то определение, которое мы дали выше, и которое заключается в том, что понятия: газ и ненасыщенный пар являются синонимами. Что же касается названия “постоянный газ”, то мы его сохраним, как термин, но, конечно, не в том смысле, который он имел раньше.

Сжижение постоянных газов.

Опыты Кальете.

После выводов Эндрьюса, цель казалась близ­кой. Однако, протекло еще восемь лет без ощутительных успехов. Но вот в понедельник 24 декабря 1877 г. произошел факт беспри­мерный в истории наук. Академия Наук, в которой в этот день происходило заседание, была уведомлена о том, что решение великой проблемы сжижения постоянных газов, проблемы столь давно изучаемой и на разрешение, которой было затрачено столько бесплодных усилий, наконец, най­дено и является не случайным результатом туманных и неопределен­ных методов, а плодом настойчивых исканий двух друг другу неизвестных экспериментаторов, пришедших к одним и тем же ре­зультатам двумя совершенно различными путями. Один из этих экспериментаторов был француз Луи Кальете. Сын горнозаводчика в Шатильоне на Сене.

Аппарат Кальете.

Кальете начал с того, что скомбинировал для своих опытов очень удобный аппарат; последний был почти идентичен аппарату Эндрьюса, повторяя, вместе с тем то расположение приборов, ко­торое Колладон за пятьдесят лет до него применил в упоминав­шихся нами опытах. Ртуть, заключенная в стальном сосуде В при помощи гидравлического насоса, может быть вытеснена в стеклянный резер­вуар Т, в котором находится изучаемый газ. Этот резервуар имеет продолжение вне стального сосуда в виде узкой трубки Т: Когда да­вление достигает достаточной величины, ртуть вытесняет газ в верхнюю часть трубки Т, выдерживающую, высокое давление в силу незна­чительности своего внутреннего сечения. Благодаря объему расширенной части стеклянного сосуда части стеклянного сосуда, имеется возможность, оперировать с довольно значительной массой газа и все интересные фазы явления протекают на глазах наблюдателя. При помощи этого столь простого аппарата, четыре из известных в то время пяти “постоянных” газов были окончательно освобождены от этого абсурдного определения и даже были замечены не оставляю­щие сомнений признаки сжижения водорода. Помимо своего огромного научного значения этот факт не лишен известной поучительности. Несколько ранее нами было указано, что работы Эндрьюса наметили путь, для последующих изысканий и что после них для сжижения постоянных газов, не оставалось ничего другого, как сле­дуя заветам Фарадея, подвергать газы действию более низких тем­ператур, чем те, которые достигались. Даже в том аппарате, с по­мощью которого человеческой мысли удалось одержать эту реши­тельную победу, ничего не было осуществлено для использования интенсивного охлаждения изучаемого газа; наоборот, все было сде­лано для того, чтобы воспрепятствовать подобному охлаждению, так как ртуть, тело столь легко замерзающее, в этом аппарате, все время находилась в непосредственном контакте с изучаемым газом, нам остается добавить, что Кальете не пренебрег опытами Эндрьюса, но в начале своих исследований, которые он намечал в чрезвычайно скромных масштабах, вовсе не предполагал производить опытов по сжижению постоянных газов. Одной из его задач, было повторение опытов с одним и тем же количеством газа. Для этого Кальете снабдил свой аппарат краном, с помощью которого можно было выпускать накачанную гидравлическим насосом воду, уничтожая этим самым давление и при­водя таким образом газ к исходным условиям; это дополнение было удачно задумано, и результаты его превзошли надежды изобретателя. Вооруженный таким образом Кальете начал свои работы. Первым газом, с которым он начал производить свои опыты, был ацетилен. Этот оригинальный газ, открытый в 1836 г., сравнительно легко поддавался сжижению, так как его критическая температура равна 37°С, и при этой температуре давления в 68 атм. достаточно для его сжижения. Работа с этим газом являлась для Кальете скорее подготовительной работой, чем серьезным опытом. Однако во время этой работы произошло явление, которое должно было предрешить успешный исход всего дела. При проведении одного из опытов, когда давление еще не достигло величины, достаточной для сжижения газа, нечаянно был открыт спускной кран; при чем Кальете успел заметить происшедшее в этот момент помутнение содержимого трубки. Это явление не поразило экспериментатора; он и не подумал о том, что ему пришлось быть свидетелем очень значительного, по своей важности, явления. Появление в трубке туманности он объяс­нил простой конденсацией влаги или других примесей, содержащихся в газе. Поверхностный наблюдатель удовлетворился бы этим объясне­нием и, не задерживаясь, перешел бы к следующим опытам. Как часты такие случаи в научных изысканиях! Сколько раз замысловатое объяснение, а чего только нельзя объяснить при некоторой доле воображения, заставляло проходить мимо великих открытий встре­чавшихся по пути! Кальете решил, что он сможет удовлетвориться найденным им объяснением лишь после того, как докажет его пра­вильность. И так как ему казалось, что примеси являются причиной замеченного им помутнения содержимого трубки, то он решил про­верить себя и повторить опыт с ацетиленом, но на этот раз тщательно очищенным и осушенным, считая, что при этом условии поразившее его явление уже не повторится. Лаборатория Вертело снабдила его таким газом, опыт был снова повторен, и туманность появилась снова. Новый опыт был проделан с закисью азота: тот же результат. Дело становилось серьезным. Кальете принужден был согласиться с тем, что, несомненно, он был свидетелем сжижения газа.

Тогда он сообразил, что здесь очевидно осуществляется явление, хорошо известное в термодинамике, хотя он был очень далек от мысли, что оно могло произойти при подобном опыте. В действительности, внезапное расширение газа, при открывании вентиля должно вызвать теоретически очень интенсивное охлаждение, для вычисления коего в термодинамике уже с давних пор применяют формулу Лапласа. В дальнейшем нам представится много случаев остановить на этом свое внимание. Но как предположить хоть на мгновение, что подобное охлаждение действительно могло быть полу­чено внутри капиллярной трубки, при столь ничтожной массе газа, нагреваемого со всех сторон стенками трубки? И должна была произойти эта принесшая победу случайность, чтобы доказать наиболее явственным способом, что при исключитель­ной внезапности и плохой теплопроводности газа, влияние стенок является незначительным и может вновь повысить температуру в цен­тральной части трубки только по истечении нескольких секунд, вполне достаточных для того, чтобы наблюдатель мог проникнуть в тайну происходящего феномена. Мы можем теперь восстановить весь ход рассуждений Кальете. Так как описанный феномен позволяет очень легко осуществлять столь интенсивные охлаждения, то не возможно ли будет, увели­чивая давление и действуя не только на скромные газы первой ка­тегории, но даже и на постоянные газы, достигнуть температур еще более низких, чем их критические температуру? Аппарат давал возможность легко применять давления, превы­шающие 300 атм.; опыт манил своей соблазнительной легкостью. После нескольких предварительных испытаний с метаном опыт был осуще­ствлен 2 декабря 1877 года. Приводимое ниже письмо, адресованное Сен-Клер Девилю, ободрявшему своими советами начинающего исследователя, которому он благоволил, подводит итоги этого знаменательного опыта в выра­жениях, скромность которых так же, как и их научная осторожность, еще более возвышают заслугу экспериментатора.

Опыт Пикте.

Пикте, выдающийся женевский ученый-физик, подошел к решению задачи очень интересным, и притом совершенно отличным от описанного методом, точно также в значительной сте­пени навеянным работами Эндрьуса. По Фарадею так же, как и по Эндрьюсу, постоянные газы могут быть сжижены только при воздействии давления при одновременном влиянии достаточного холода. Все усилия должны были быть направлены к достижению этого холода.

Принцип, на котором, преследуя, эту цель, базировался Пикте, заключался в каскадном охлаждении, осуществляемым последовательном понижением температуры, в каждом каскаде посредством жидких газов со все более и более низкой температурой кипения. При этом каждый из применяемых газов, благодаря своей более низкой точке кипения дает возможность сжижитъ без особых трудностей дующий газ.

Аппарат Пикте.

Получаемая под давлением в 3 атм. жидкая сернистая кислота направлялась для испарения “при пониженном давлении при -65°С вокруг трубчатой системы, в которой углекислота конденсировалась при этой температуре при сравнительно незначительном давлении. Эта жидкая углекислота, в свою очередь, для испарения при пониженном давлении направлялась во второй сосуд, в котором она создавала, по словам экспериментатора, температуру в -130°С и в котором она вызывала сжижение кислорода, непосредственно получавшегося под давлением свыше 200 атм. при разложении в стальном баллоне хлорноватокалиевой соли, нагреванием до красного каления. При открывании игольчатого крана, прикрывающего проход в ту часть кислородного коллектора, который погружен в углекислоту, Пикте наблюдал, что газ выры­вался в виде прозрачной струи, в центре которой находился белый концентрический цилиндр, принятый им за твердый кислород, Осно­вываясь на этом блестящем опыте, он счел возможным вывести за­ключение, что упругость паров кислорода при -130 °С С равна приблизи­тельно 273 атм.

В своих последующих опытах Пикте пытался подвергнуть сжи­жению водород, который он подобно Фарадею, получал под давле­нием при действии калия на муравьинокислый калий. Пикте, оче­видно, находившемуся под влиянием современных ему веяний химии, считавшей в то время водород металлом, показалось, что он видел этот газ, вышедшим из его аппарата в форме непрозрачной струи, с характерной сине-стальной окраской, падавшей на пол с треском, напоминающим падение металлической дроби!

Было бы, безусловно, несправедливым отказать Пикте в приз­нании его великих заслуг, которые он стяжал этими блестящими опы­тами, и чрезвычайных экспериментаторских способностей, позволив­ших ему довести свои работы до благополучного конца. Наконец, по собственным словам экспериментатора, полученная им жидкость была сине-стального цвета, а современная наука точно установила, что жидкий водород бесцветен, исключительно легок и очень подвижен. Наука не могла удовлетвориться цифровыми определениями, слишком поспешно выведенными на основании этих, безусловно заме­чательных, но без сомнения, недостаточно точных опытов Пикте.

Таким образом, как это отметил Ж а м э н в самом докладе Ака­демии 24 декабря 1877 г., задача не была полностью разрешена; ведь оставалось еще собрать воедино в более осязательной форме и на бо­лее продолжительное время те мельчайшие капельки, которые были обнаружены Кальете и Пикте, и тем самым получить возможность спокойно изучить загадочную жидкость.

Теория теплоты.

Английский врач и физик А. Кроуфорд (в то время такое сочетание было вполне обычным) писал в 1799 г.: "Каждое тело содержит в себе известное количество тепла. Если бы оно могло отдать ее, то само охладилось бы до абсолютного нуля. По моим подсчетам эта температура лежит ниже точки замерзания воды на 1532°. Если даже учесть, что Кроуфорд пользовался шкалой Фаренгейта, полученная им цифра все же очень далека от действительного значения абсолютного нуля (-459,65 F). Дальтон в своей "Философии химии" предложил даже цифру -3000°. Можно назвать еще несколько прогнозов положения абсолютного нуля температур, сделанных весьма известными учеными. Так, Лавуазье и Лаплас дали в своей знаменитой работе о тепле два значения: 1500— 3000СС ниже точки таяния льда и затем 600°С.

Сторонники корпускулярной теории теплоты тоже не сомневались в существовании абсолютного нуля температур. Петербургский академик Г. Крафт писал: "Тепло и жар, по мнению всех естествословцев, состоит в нарочито скором и смешанном движении малейших частиц между собою, которое тем скорее бывает, чем больший градус жара производит. Ежели же сие внутреннее движение начнет умаляться, что рождается стужей, которая тогда в самый большой градус приходит когда сие движение совершенно перестанет и тончайшие частицы между собой в покой приведены будут".

Того же мнения придерживался и . На основе своего варианта корпускулярной теории, изложенной в работе "О причинах тепла и стужи" (1744 г.), он пришел к выводу, что по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц".

Но что можно ожидать на пути к "последней ступени холода" в этой неизвестной области "terra frigidus incognita", какие новые открытия она сулит, можно предполагать, только опираясь на известные в то время физические явления. Основное внимание было поэтому сосредоточено на изменениях агрегатного состояния вещества. В то время было известно только одно вещество, могущее быть как в твердом, так в жидком и газообразном состоянии, - вода.