Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Наука должна быть веселая, увлекатвльная и простая.
П. Капица
Эта книга посвящена одной теме - тому, как люди овладели искусством получать холод и использовать его для своих повседневных нужд и в научных поисках.
Название книги соответствует определению почти неизвестной тогда низкотемпературной области, которое дал М・ В. Ломоносов еще два с половиной века назад: "Эта область начинается от самого низкого градуса теплоты, или, что то же,- от наибольшего градуса стужи, который пока еще никак не отмечен и не показан. Она оканчивается при температуре замерзания воды”. Теперь этот ^низкий градус”, как и предвидел Ломоносов, "отменен и показан55. Сама же область, о которой он писал, превратилась в обширную рабочую площадку для науки, техники и технологии.
Выбор именно этой темы связан не только с профессиональными интересами автора и желанием привлечь молодежь к работе в области низких температур. Дело в том, что в истории науки и техники трудно найти другую область, где столь тесно переплетались бы физика и химия, биология и география, технология и быт, экономика и экология. Особенно тесно низкотемпературная техника связана с теплоэнергетикой, представляя собой в определенной степени ее опрокинутое зер- кальное отображение, помогающее лучше, иногда с совсем неожиданной стороны, увидеть многие ее стороны.
Причиной, обусловившей обращение к технике низких температур как теме для научно-популярной книги, является и TOj ит。в популярной литературе много пишут о физических открытиях, относящихся к низким температурам, а не менее интересная и важная инженерно-техническая сторона дела освещена очень слабо. Такой подход не позволяет дать более
ЗУю картину развития в любой области, включающей и ес-
тественные науки и технику. "За бортом55 остаются и великие изобретения, которые не менее интересны и важны, чем от*；
крытия. ，彳
Представляется поэтому, что более верный путь для того,| чтобы ввести читателя в мир низких температур, нужно про*^ кладывать через технику и технологию - области более синте^ тические, чем любая отдельная наука, даже такая, как физика. Романтика и драматизм в инженерном поиске не менее инте* ресны, чем в других областях творчества. Синтетический подход дает и большую возможность использовать сведения по истории и экономике. Это намного труднее, но зато получает^ ся более объемная, объективная картина развития событий.
Еще одна причина, подтолкнувшая к написанию этой книги, связана с тем, что до сих пор в литературе недостаточно полно освещен как вклад в развитие низкотемпературной техники научных работников и инженеров нашей страны (от М. Ломоносова до П. Капицы), так и исторические условия, в кото
рых они работали.
Все эти соображения и вызвали появление предлагаемой читателю книги. Она построена на базе именно такого синтети-
разделы, в которых дает-разделы, в которых дает-ческого подхода. В нескольких местах по ходу изложения
разделы, в которых дает-
разделы, в которых дает-
методов, необходи-методов, необходи-включены ,?научные комментарии
методов, необходи-
методов, необходи-
книги. Они таккниги. Они такся анализ некоторых понятий, терминов и
книги. Они так
книги. Они так
мых для более полного понимания материала
же, как и остальной материал, изложены популярно, но требуют некоторой сосредоточенности. Читатели, которым эти разделы по тем или иным причинам окажутся ненужными или трудными, могут их пропустиуь (или изучить впоследствии). В ряде случаев уделялось внимание судьбам и личным качествам тех людей, которые сделали существенный вклад в низ-
котемпературные науку и технику.Введение к книге посвящено предварительному ознакомлению читателя с тем, зачем нужен холод, какие потребности ч&котемпературные науку и технику.Введение к книге посвящено предварительному ознакомлению читателя с тем, зачем нужен холод, какие потребности ч&ловека он может удовлетворять и вловека он может удовлетворять и вчем состояли основныечем состояли основныетрудности на длительном, измеряемом тысячелетиямитрудности на длительном, измеряемом тысячелетиямиПуТЙПуТЙовладения всеовладения всеболее и более низкими температурами.более и более низкими температурами.Глава первая знакомит читателя сГлава первая знакомит читателя смноговековоймноговековойисториейисториейхолода, от доисторических времен до концахолода, от доисторических времен до концаXVIII В. Она нами*XVIII В. Она нами*нается с описаниянается с описанияиспользования "естественного холодаиспользования "естественного холодаприродных льда и снега и опытов с искусственными ющими смесями. Уделено внимание создателям ■природных льда и снега и опытов с искусственными ющими смесями. Уделено внимание создателям ■[охлажД^ термомет*[охлажД^ термомет*
котемпературные науку и технику.
Введение к книге посвящено предварительному ознакомлению читателя с тем, зачем нужен холод, какие потребности ч&
котемпературные науку и технику.
Введение к книге посвящено предварительному ознакомлению читателя с тем, зачем нужен холод, какие потребности ч&
ловека он может удовлетворять и в
ловека он может удовлетворять и в
чем состояли основные
чем состояли основные
трудности на длительном, измеряемом тысячелетиями
трудности на длительном, измеряемом тысячелетиями
ПуТЙ
ПуТЙ
овладения все
овладения все
более и более низкими температурами.
более и более низкими температурами.
Глава первая знакомит читателя с
Глава первая знакомит читателя с
многовековой
многовековой
историей
историей
холода, от доисторических времен до конца
холода, от доисторических времен до конца
XVIII В. Она нами*
XVIII В. Она нами*
нается с описания
нается с описания
использования "естественного холода
использования "естественного холода
природных льда и снега и опытов с искусственными ющими смесями. Уделено внимание создателям ■
природных льда и снега и опытов с искусственными ющими смесями. Уделено внимание создателям ■
[охлажД^ термомет*
[охлажД^ термомет*
pH。, без работ которых были бы невозможны все дальнейшие исследования. Описаны и первые шаги в теории теплоты и холода, начиная с Ф. Бэкона и Дж. Блэка, завершаемые ра- ботами М. Ломоносова и А. Лавуазье.
Глава вторая охватывает период с начала XIX в. до 50-60-х годов, когда сформировались основные представления Первого и Второго начал термодинамики. В главу включен и первый 5,научный комментарий** 一 раздел о понятиях “тепло”, »холодм и ^охлаждение*5.
Глава третья тоже охватывает период первой половины XIX в. В ней рассказывается о первых холодильных машинах, позволивших не только отказаться от использования природного льда, но и получать его при необходимости искусственно в любых климатических условиях.
Заканчивается глава вторым 5,научным комментарием", посвященным анализу общего принципа получения низких температур.
Глава четвертая связана с событиями, происходившими во второй половине XIX и начале XX в. Она посвящена возникновению криогеники - области, охватывающей научные основы и технику получения температур, лежащих ниже 120 К, и связанной с ожижением и замораживанием таких газов, как кис- лород, азот, водород и гелий.
В главе пятой рассказывается о применении криогенной техники при использовании богатств атмосферы путем разделения воздуха. В нее включен третий ^научный комментарий55, относящийся к теории разделения смесей.
Глава шестая посвящена развитию и разнообразным приложениям холодильной техники.
Глава седьмая, как и следует из ее названия, содержит материал о современных научно-технических достижениях в низкотемпературной области. Здесь так же, как в гл. 2, 3 и 5, Дается небольшой (и последний) ?,научный комментарий5*, от- носятцийся к физике процессов охлаждения на смесях.
「■пава восьмая знакомит читателя с драматической исто- Р02 试 борьбы за одно из новых направлений н и эк отемп ерату р- нот техники, связанное с работами акад. П. Л. Капицы, Два дру- гмх раздела этой главы посвящены микрокриогенной технике и "холодному” космосу.
В главе девятой дан краткий обзор изложенного, позволяю- 国""пОДвести итоги "история холодаи и наметить некоторые перспективы развития этого направления.
Естественно, что точно соблюсти хронологию событий, укаЗ занную в заголовках глав, на практике невозможно при всем желании: известно, что пути развития и науки и техники очень сложны и извилисты. Поэтому некоторые отклонения от последовательного по времени изложения не только неизбежны, но в ряде случаев и полезны. Они помогают показать реальную, а не схематизированную「выправленную” историю.
Для читателей, желающих более основательно познакомиться с предметом, в конце книги дается краткая библиография.
Автор выражает большую признательность рецензенту книги проф. доктору техн, наук В.И. Епифановой за ценные заме* ния и советы. Л
Критические замечания и советы, относящиеся к содержЛ нию и форме книги, будут приняты с благодарностью по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Низкий... (переносн.)... малый, недостаточный, слабый плохой, дурного качества.
Толковый словарь русского языка под ред. И. Д. Ушакова
В технике, так же как и в других областях человеческой деятельности, представление о новом, прогрессивном чаще всего связано с понятием "высокий" - высокие скорости, высокие напряжения, высокое качество, высокий класс... Все это так. Однако, вопреки толковому словарю, и слово "низкий” часто звучит не хуже, а даже лучше, чем 55высокий55 (низкие цены, низкий уровень заболеваемости, радиации, преступности и :т.п.). Применительно к температуре это слово тоже не может бьггъ синонимом плохого; оно уже давно связывается с высшими достижениями в науке, технике и качестве жизни.
От какой точки начинается отсчет низких температур - официально не установлено; обычно к ним относят те, которые лежат в области ниже температуры окружающей среды, 『комфортной для человека, т.е. 20℃ (по абсолютной шкале Кельвина 293 К)1. Эта область температур, простирающаяся вплоть до абсолютного нуля (О К или -273℃), обычно делится на две части. Верхняя, расположенная над условной границей 12° К (-153°С), используется в холодильной технике; нижняя, 6°〃ее труднодоступная, - в криогенной.
Слово ,,криогенный), было предложено известным голланд- скпм физиком и инженером Г. Камерлинг-Оннесом — одним из основоположников физики и техники низких температур. Криос” по-гречески означает "холо口", "холодный”, а 5,генос?, -* wnpoH3BonHTbn, ,5рождать,5,5,генерировать,\
Подробно о температурной шкале Кельвина рассказано в гл. 2.
История завоевания человеком области низких температур насчитывает тысячелетия; однако проникнуть в самую труд, недоступную ее часть, где господствуют криотемпературы,■ не существующие в земной природе1, удалось только в середине прошлого века. На первый взгляд, это представляется стран- ным. Действительно, кажется, что преодолеть каких-то 250* 270 "холодных” градусов гораздо проще, чем те тысячи "теплых” градусов, которые человек перешагнул еще в незапамятные времена, научившись добывать огонь. Однако это не так: ^теп- лыеа, и ,5холодные,5 градусы, несмотря на одинаковое значение на шкале термометра, качественно различны.
Чтобы повысить температуру тела, нужно сообщить ему энер- гию. Это можно сделать либо посредством затраты работы (например, трением или ударом), либо посредством реакции, высвободив химическую энергию (например, горением). Если же освободить ядерную энергию, то счет "тегтлых" (вернее, 5,горя- чих^) градусов идет на миллионы. Нагреть же горячими продуктами реакции любой предмет - это уже дело более простое. Тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Человек владел обеими процедурами - и получением более нагретого тела (горячих газов), и передачей тепла к менее нагретому еще тогда, когда, например, поджаривал на костре кусок мамонта. Более того, огонь и высокая температура могут возникать и самопроизвольно, например при лесном пожаре.
Понизить температуру тела таким относительно простым путем невозможно. Действительно, чтобы это сделать, нужно отнять у него энергию. Но тепло само никогда не переходит от менее нагретого тела к более нагретому; нельзя вскипятить чайник, поставив его на лед. Казалось бы, самый простой выход из положения - тоже использовать для охлаждения передачу тепла от более теплого тела к более холодному. Но .где взять что-либо более холодное, чем то, что имеется в окружающей среде?
Можно, например, взять (или привезти издалека) лед и использовать его; но таким путем все равно нельзя опуститься по температурной шкале ниже того уровня, который уже достигнут самой природой. Чтобы дальше снизить температуру，
丄 Самая низкая температура, зафиксированная на Земле в естественны^ условиях, составляет -88,3℃ (станция 'Еосток'* Антарктиде, 1961 г.).
8
水н。"превзойти природу0, которая "скупо дает нам холод,\ к；к писал великий английский философ и ученый Ф. Бэкон (1561-1626 гг.).
I Проблема получения очень низких температур интересова- ла в то время не только ученых и философов. Она волновала и служителей церкви.
В 1621 г., еще при жизни Ф. Бэкона, вышла книга профессо- ра Миланского университета Антонио Руски на актуальную те- му - об аде* Он подошел к делу очень серьезно, проштудиро- вав творения 300 (!) отцов церкви. Ад, по его мнению, находит- ся в центре Земли, в царстве вечного огня; туда можно даже проникнуть через кратеры вулканов. Возникла только одна трудность: отцы церкви утверждали, что грешников пытают не только огнем, но и страшным, пронизывающим холодом (не отсюда ли выражение "адский холод,?)- Но откуда берется холод в царстве вечного огня? Ведь огонь может лишь нагреть и испарить воду, но никак не заморозить ее!
Антонио Руски, в отличие от Ф. Бэкона, не стал ломать голову над тем, как получить из тепла холод. Он блестяще вышел из положения в чисто средневековом духе: "Еог, который создал огонь, в силах получить из него и мороз".
Способ охлаждения, с такой изящной простотой найденный миланским профессором, не помог в то время продвинуть вперед науку о холоде. Решить ее проблемы по-настоящему в полном объеме удалось лишь три века спустя. Среди них был найден и способ ^получить холод из огня", Руски был не так уж неправ! Однако в XVII в. до этого было еще очень далеко.
С самых ранних времен стремление проникнуть в область низких температур определялось (как и в других областях) двумя побудительными мотивами. Первый из них - желание познать природу, объяснить, а потом и предсказать. Отсюда начинаются естественные науки. Второй - создать устройст- ва，позволяющие использовать то, что может дать природа для нужд человека, улучшения условий его жизни. Отсюда рожда- атся техника и технология.
Применительно к теории, связанной с низкими температура- м”，предстояло сделать очень много: перенести с бытового Уровня на научный такие понятия, как тепло, холод; ввести понятие о температуре; научиться их измерять; узнать, что происходит в телах при охлаждении, как меняются их свойст- 'а…и, наконец, главное - найти способы заставить вещест-
во понижать свою температуру "вопреки природе" (но в 8必& сии с ее законами, которые гоже еще предстояло познать). R©® это было далеко не так легко, как иногда представляете^ только длительная и упорная работа многих и многих иссл©. дователей позволила найти и отстоять нужные ответы и рет& ния.
Такой же трудный путь предстоял и создателям низкотем* пературной техники. Только во второй половине XIX в. труда. ми многих изобретателей и инженеров были разработаны ее основы, позволившие в дальнейшем создать целую новую от. расль. На пути стояли многочисленные трудности как теоре. тического, так и практического характера, совершенно неиз. вестные ранее. Но так же, как и при создании научной базы, они были преодолены; мы теперь располагаем самыми удивительными творениями низкотемпературной техники, успешно работающими не только "на, земле, в небесах и на море”，но и даже в космосе и под землей.
Естественно, что достигнутый сегодня уровень - далеко не предел. И теперь, в конце XX в., работа во всех направлениях -и научном и техническом - продолжается; возникают и новые задачи, и новые решения, уходящие в XXI в.
С использованием холода положение несколько иное. Основные потребности в холоде были ясны с самого начала. Разу* меется, что при этом далеко не все возможности использования низких температур могли проявиться. Большая их часть даже не могла и прийти в головы самых передовых людей не только в древности, но и в XVIII и даже в XIX в. Однако две главные, и до сих пор определяющие по масштабу^ применения возможности были ясны с незапамятных времен: охлаждение пищевых продуктов, напитков и создание по возмож*. ности сносных условий жизни при высокой внешней температуре (нечто похожее на то, что теперь называется кондиционированием воздуха). Разумеется, второе можно было реализовать для очень узкого привилегированного круга высшей знати, но тем не менее задача была поставлена (и решена). Постепенно круг применений низкотемпературной техники расширялся и к нашему времени стал почти необозрим. Здесь можно ограничиться лишь кратким перечислением некоторых его фрагментов.
Из охлаждения и замораживания пищевых продуктов родилась целая отрасль, включающая новые процессы - быстрое
заМ0Раживание> позволяющее сохранять продукты, в том чис- ле фрукты и овощи, на длительный срок и восстанавливать их практически в свежем виде; сублимационная сушка, дающая порошки и пасты, превращающиеся при добавлении воды в полноценные продукты. Медики охлаждают и хранят плазму «рови, биологические препараты, ткани и даже целые органы для пересадки, а иногда и охлаждают для сложных хирургических операций весь организм человека. Развилась даже целая отрасль медицины, совсем новая - криохирургия.
После того как удалось при криотемпературах ожижить все газы, появилась специфическая отрасль промышленности - ожижение газов и разделение газовых смесей для получения в жидком и газообразном виде кислорода, азота, аргона, неона, метана, гелия и других продуктов.
Эти продукты миллионами кубометров идут в металлургию, химию, машиностроение, ракетную технику и для использования в научных лабораториях.
В электротехнике понижение сопротивления металлов и сплавов, а в некоторых случаях его полное исчезновение (сверхпроводимость) позволяют создавать совершенно небывалые мощные устройства - накопители энергии, ускорители элементарных частиц и др. В радиотехнике и электронике, которые сами по себе еще молоды, появилось множество новых приборов и агрегатов, в которых используются низкие температуры. Без них, в частности, невозможна была бы спутниковая связь и дальнее телевидение. Этот перечень можно было бы еще долго продолжать, а если развернуть его подробно, не хватит не только этой относительно тонкой книги, но и не- скольких толстых книг.
В дальнейшем изложении, которой относится в основном к истории получения холода, мы затронем по ходу дела лишь те ег° применения, описание которых поможет главной цели - рассказать об истории продвижения людей в области низких температур.
Начнем(. самого начала, помня завет знаменитого немецко- 「о Философа Гегеля: "Чтобы знать предмет, надо знать историю "редмета". Добавим к этому, что история любого предмета никогда не бывает менее интересной, чем сам предмет. А иногда и более...
Глава первая
ПРЕДЫСТОРИЯ ОСВОЕНИЯ ХОЛОДАЯ
(с древнейших времен до конца XVIII в.)■
亠Образование холода — пре加
достойный изучения как с точки
-зрения пользы, так и обнаружения
-его причин.
Ф. Бэкон
1・1・ "ЕСТЕСТВЕННОЕ” ОХЛАЖДЕНИЕ
На таежной реке Берелех, притоке Индигирки, экспедицией^ Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук была обнаружена в вечной мерзлоте яма - своеобразный погреб, в котором находилась замороженная и хорошо сохранившаяся голень мамонта. Этот "холодильник” - самый древний из известных нам, был выкопан первобытным охотником.
. На севере с незапамятных времен пользовались (и теперь -пользуются) вечной мерзлотой для замораживания и хранения мяса, рыбы, жира и других продуктов. Там. где не было
—вечной мерзлоты, лед стали собирать зимой и хранить до лета в норах, вырытых в земле, пещерах или кучах, засыпанных землей сверху.
Более сложно было получить и сохранить холод в жарких странах, где вообще не было ни льда, ни снега. Только в горах, на большой высоте можно было их найти. Несмотря иногда на очень дальние расстояния - сотни километров, лед доставляли к потребителю. Сведения об этом, относящиеся к XI в. до н. э., можно найти даже в Библии (Ветхий завет, притчи Со* ломоновы, гл. 25, разд. 13). Александр Македонский во врем^ Персидского похода (330 г. до н. э.) при осаде города Петры 曰伊 лел сделать 30 погребов со снегом, в которых хранилось охла*' денное вино для его воинов.
Широко применялись привозимые из Альпийских гор сн“ и лед в древнем Риме и других городах, расположенных Н"
дппвнинском полуострове. Упоминяния об этом встречаются нс только у историков, но и у римских классиков - Сенеки, Марниала и Ювенала.
Плиний писал, что император Нерон приказывал охлаждать кипяченую воду, помещая сосуды с ней в снег. Менее привередливые потребители просто смешивали напитки со сне- г0М, Применялись и охлажденные блюда, например студень. Увлечение холодными напитками и простудные заболевания, связанные с ними, были настолько распространены в античном мире* что знаменитый греческий врач Гиппократ (460- 377 гг. до н. э.) должен был специально предупреждать об ос- торожности при их употреблении.
Дальше всех пошел в использовании снега римский император Гелиогабал (218-222「「.)《 Он приказал насыпать в своем саду большие горы из снега, чтобы ветер в жаркую погоду разносил прохладу. Таким образом, Гелиогабал успел первым придумать и реализовать на практике (и в довольно широком масштабе) кондиционирование воздуха; к этой идее вернулись только через 500 лет (в XIX в.), да и то лишь в закрытых помещениях.
В средневековье использование льда, переводимого на далекие расстояния, сохранилось, несмотря на связанные с та・ кой операцией трудности. Арабские халифы в Дамаске и Каире всячески этому способствовали. Халиф Махди (775—785 гг.) организовал регулярную доставку на верблюдах льда из Лива- наи даже гор Армении в Мекку. Один из его наследников усовершенствовал (сам, или по совету ученых консультантов) кондиционирование своей летней резиденции, поместив лед между двойными стенками. Это гораздо более экономный ме- 丁。口，чем использованный ранее Гелиогабалом.
Персидский путешественник Нассири Хоеров писал (1040 г.), 5。на султанскую кухню в Каире ежедневно прибывали 40 верблюдов, груженых льдом, и что для этого была устроена специальная скоростная транспортная служба по дороге от 噜и” до Египта с нужным числом промежуточных станций.
ногие, наверно, помнят и описанный Вальтером- Скоттом эпизод Первого крестового похода (1190 г.), когда султан Са- ^аддин переслал своему противнику — заболевшему королю б^1?"' 1 (Ричарду Львиное Сердш) охлажденный льдом шер- Ль ' “"я этого он велел специально послать караван в горы за пом. Этот красивый жест не только подтверждает рьщарс-
кое благородство Саладдина, но и то, что "холодильные” дре& ние традиции и в средневековье не были утеряны арабами. Интересно, что для уменьшения потерь от таяния при пе* ревозке льда и снега арабы придумали специальные 口ву. стенные ящики: промежуток между стенками заполнялся войлоком. Это были, по существу, первые образцы низкотем* пературной тепловой изоляции. Не менее интересный факт ^холодильной галантности), можно привести и из европейс^ кой истории. Когда Людовик XIV осаждал Лилль в 1667 г., командующий осажденным гарнизоном услышал, что французы не имеют льда; он послал через укрепления гонца со льдом и посланием, что осада продолжается много месяцев и он не может себе представить, как король обходится без льда. В это время придворные в Версале требовали пять фунтов льда в день на каждого в течение всего лета. Лед не привозили издалека, а добывали на месте зимой и хранили его запас в погребах до осени.
Многие столетия и в дальнейшем природный лед оставался основой для получения холода в теплое время года во всех странах, где можно было создать его запасы. Лед не потерял своего значения, несмотря на последующую эволюцию в области средств Охлаждения.
В наше время использование природного льда под давлением мощной конкуренции со стороны совершенной холодильной техники почти сошло на нет. Тем не менее в странах, где зимой много льда, древняя технология еще живет и даже рао ширяется. В этом нет ничего удивительного: добывание, хранение и использование природного льда дешевле, а главное - экологически практически безвредно. Разумеется, речь может идти только об очень узком интервале температур, исполь* зуемых в холодильной технике, близких к температуре окружающей среды.
Почти параллельно с "пассивным” использованием зародилось новое направление в получении холода, которое можно назвать "активном". Оно основывалось на необходимости мпревзойти природу^, добыть холод искусственно. Из первых удачных решений путем длительной эволюции и родилась через много столетий современная низкотемпературная техника. .я
1 2 ПЕРВЫЕ ШАГИ «ИСКУССТВЕННОГО" ОХЛАЖДЕНИЯ
Поставка снега и льда на далекие расстояния была слиш- дорогим удовольствием, доступным лишь очень узкому к° У ВЬ1сшей аристократии. Более важной, особенно в жар-. к* странах, была нужда просто в охлажденной воде, которую — mo來но было бы получать на месте и без больших затрат. Для / 力с не годился пассивный способ охлаждения внешним, этого 2 I- тт -
более холодным телом; такого тела просто не было. Нужно оы- л0 придумать другой, активный способ охлаждения - без применения снега или льда. И такой способ был придуман. Идея его состояла в том, чтобы заставить саму воду себя ох- лаждать! И это сделали древние египтяне еще за 2500 лет до н.з・ На сохранившихся с того времени фресках изображены ра- 6ы, которые большими веерами обмахивали сосуды с пить- евой водой (рис. 1.1). Очевидно, что таким способом, используя для этого обычные кувшины, нельзя получить воду, более холодную, чем окружающий теплый воздух. Однако гениаль
ная, в полном смысле этого слова, мысль состояла в том, чтобы сделать сосуды пористыми. Часть воды, просачиваясь через поры, испарялась на поверхности кувшинов, охлаждая ее; обдувание сухим воздухом интенсифицировало этот процесс. В результате оставшаяся в сосудах вода охлаждалась на 10-15℃ ниже начальной температуры. Идея этого способа родилась, по-видимому, из повседневного опыта: увлажненная
поверхность тела на ветре охлаждается.
Рнс. 1.1. Охлаждение воды испарительным способом в Древнем Египте
Рис. 1.2. Опыт М. Пикте:
1 — сосуд с кипящей водой; 2 — термометр; 3 — сосуд со льдом
В Индии с незапамятных времен и вплоть до прошлого века тоже использовалось испарительное охлаждение, но в сочетании с другим процессом, делавшим его еще эффективнее. Плоские керамические открытые сосуды, напоминающие по форме большие сковороды, наполнялись водой и помещались на соломенных подстилках, уложенных на дне неглубоких траншей, вырытых в грунте. В ночное время при ясном небе вода в плоских сосудах настолько охлаждалась, что иногда покрывалась коркой льда. Частично охлаждение объяснялось испарением воды, но главная причина была в другом - тепловом излучении с поверхности воды.
Сейчас трудно сказать, как объясняли столь сильное охлаждение воды древние изобретатели этого способа.
Научным исследованием теплового излучения начали заниматься только в XVIII в・；первыми были члены знаменитой флорентийской ?,Академии опытовw. Более основательное исследование провел швейцарский профессор М* Пикте (1740 г) Схемы его опытов показаны на рис. 1.2. Использовались два металлических вогнутых зеркала, установленных одно напротив другого. В фокусе первого зеркала (рис. 1.2, а) помещался сосуд с горячей водой. Тогда термометр, установленный в фокусе второго зеркала, показывал повышение температуры по срав-
нению с температурой окружающей среды. Если же поместить в фокус первого зеркала сосуд с кусками льда (рис. 1.2, 6) (что было сделано по совету математика Бертрана), то термометр показывал температуру ниже, чем в окружающей среде. Раньше такие эффекты объясняли действием в первом случае теплых (калористических - от латинского слова calore) лучей, а во втором - холодных (фригорических - от латинского слова frigore). Такое объяснение шло в русле положения, идущего еще от Аристотеля, о существовании неких "теплого” и »холодного,? начал, могущих смешиваться в разных соотношениях.
Однако Пикте преодолел груз этих представлений и впервые нашел правильное объяснение. То, что он назвал "тепло вой эманациейн (т.е. энергия, передаваемая излучением), всегда идет от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
На рис. 1.2,6 таким более теплым телом служит шарик термометра, а более холодным - лед. Поэтому термометр охлаждается, а лед тает. Необходимость в двух началах - теплом и холодном, таким образом, отпала.
В ^индийском варианте” охлаждения излучение сравнительно теплой воды уносит намного больше энергии, чем дает ей излучение холодного ясного ночного неба. Поэтому вода охлаждается так интенсивно.
Достижения в области охлаждения воды испарением через стенки пористых сосудов были забыты после падения античной цивилизации. Только в средние века с помощью ара- 6°в эти ^холодильные чудеса,? попали в Испанию и Португа- лию< Здесь широко распространились пористые сосуды для охлаждения воды, называемые "алькарацца”. Затем они про- никлн дальше в Европу, прежде всего во Францию, где стали известны во времена Франциска I (1494-1547 гг.).
Развитие испарительного охлаждения тогда остановилось на сугубо практическом уровне. Никто в то время не мог предполагать, что в будущем, после целой серии научных исследо- Еаний в XVII и XVIII вв・, оно обеспечит базу для создания од- ：ого из основных направлений низкотемпературной техники XIX и XX вв. (см. гл. 2).
Несколько позже, чем испарительное охлаждение, был изобретен и другой способ охлаждения - посредством смешения '°4нее его можно было бы назвать растворением). Первое
краткое упоминание об открытии, лежащем в его основе, с@ держится в индийской рукописи "Панкатантрам”, датируемой^ IV в・ до н.э. Оно гласит: 5,Вода охлаждается, если в нее добавляется соль55. Основанный на этом методе способ получения льда описан арабским писателем Ибн-Аби-Усабия (1203-1269 гг.).
К XVI в. в Европе было уже широко известно применение растворения селитры в воде для охлаждения напитков. В част- ности, охлажденной таким способом водой поили рабов-гребцов на галерах. В 1550 г. вышло даже специальное научное сочинение испанского врача Блазиуса Виллафранка. Это, пожалуй, первое из известных практических руководств по холодильной технике. Оно, как и полагалось в то время, было написано на латинском языке и имело, как тогда было принято, длинное название, из которого для нас важны первые два слова： "Methodus refrigerandi,5 (методы охлаждения). В нем, в частности, сказано, что такой способ охлаждения воды и вина широко известен и применяется горожанами в домашнем хозяйстве.
Вскоре был сделан и следующий шаг: было установлено, что смешение селитры со снегом позволяет получать значительно более низкие температуры. Впервые этот способ был описан в труде неаполитанца Баптисто Порта "Madia NaturalisM (1589 г・). Неаполитанский врач Латинус Танкредус писал (1607 г.) о быстром замораживании воды в сосуде, помещенном в такую смесь.
Охлаждающие смеси и в дальнейшем сыграли существенную роль в развитии исследований в области низкотемпературной физики и техники. По существу； они вплоть до середины XIX в. оставались основным средством охлаждения в экспериментальных работах.
В быту они использовались еще долгое время. Еще в 20-е годы нашего века в Москве и других городах готовили и продавали мороженое в бачках, помещенных в ящики с соленым льдом. Так же замораживались и хранились многие пищевые продукты.
Вернемся, однако, к истории.
Очень серьезно занимался проблемами низких температур знаменитый философ, естествоиспытатель и политический деятель Фрэнсис Бэкон (1561-1626 гг.) - основоположник совре менной эмпирической науки. При всем разнообразии занятий этот удивительно разносторонний гений эпохи Возрождения постоянно обращался к теме о холоде. Он часто и в разн]
сочинениях обсуждал с различных сторон природу холода и несовершенство известных методов его получения. Так, в “Естественной истории”, в разделе, называвшемся ,?Экспери- меНТы, касающиеся производства холода”, он писал: 5,Теп- л0 м холод - две руки природы, посредством которых она творит; теПЛо мы имеет уже готовым в виде огня; что касается холода, то мн должны ждать его прихода, либо искать его в глубо- кнх пещерах или высоких горах; и когда мы сделаем все, что в наших силах, мы все же не можем получить его в желаемой степени, ибо огонь очага греет сильнее, чем летнее солнце, н0 погреба и вершины гор не холоднее, чем зимние морозы”.
Этот знаменитый отрывок, который многократно впоследст- вии цитировался и более или менее удачно комментировал- ся, не единственное место в работах Бэкона, посвященное холоду. Всю жизнь он не расставался надолго с этой темой. Особое внимание он отдавал охлаждающим смесям и их использованию. В той же "Естественной истории15 назван целый ряд различных охлаждающих смесей. Даже в последние дни жизни он проводил эксперименты по замораживанию мяса курицы, собственноручно обкладывая ее снегом. Простудное заболевание, полученное при этом, способствовало его смерти.
Ф. Бэкон подвел итоги всему, что было достигнуто к его времени в области получения холода и попыток осмыслить его природу. Вместе с тем он показал направление, в котором должен быть проложен дальнейший путь исследований в этой области.
Отметим прежде всего, что Бэкон впервые четко отметил еще необъясненную асимметрию обеих "рук природы55 - 5,теп- ■пой” и "хол。口ной", придав ей фундаментальное значение. Тепло, причем сильное, получается легко, а холод, даже небольшой, -получить непросто: природа "с трудом дает его нам”. Ведь по теории Аристотеля, которая еще господствовала в его время, тепловое состояние тел описывалось "температурой”, определяемой как мера соотношения двух равноправных на- “а几 перемешанных в теле, - теплого и холодного* С этих пози- иий трудно объяснить, почему в одну сторону - теплую, можно двигаться далеко и легко, а в другую - холодную, удается продвинуться очень мало и с колоссальными трудностями.
Подчеркивая этот факт, Бэкон, по существу, нанес первый УАар по объяснению Аристотеля. Поиски после этого пошли
в направлении нахождения единой причины тепла и холода, а； не двух начал (несмотря на то что природа, по образному выражению Бэкона, 5,действует двумя руками"). Более того, Бэ- кон четко высказал и свой взгляд на природу тепла: 5?тепло есть движение малых частиц тела55. Это было первое в новое время постулирование основ корпускулярной теории тепловых явлений*
Поиски теории, позволяющей объяснить все множество теп- ловых явлений, продолжались еще три века после Бэкона. Они шли по очень извилистому и трудному пути. Естественно, что они были связаны с изучением как нагревания, так и охлаждения; теория должна была тем самым выявить их общность. Непременным предварительным условием для этого было уточнение понятий ,?температурам, 55теплои и "хал。口” и связей между ними. Для этого прежде всего нужно было научиться их измерять. j
ТЕРМОМЕТРИЯ И ТЕПЛО .
К началу XVII в. в науке о холоде и тепле накопился солидный экспериментальный материал. Сформировались и взгляды на то, что нужно было понять, чтобы двигаться дальше. Однако такое движение оказалось невозможным без того, чтобы ввести какие-то количественные оценки в результаты экспериментов; только тогда их можно было бы осмыслить, опираясь на твердую почву. Это уже хорошо понимали во времена Ф. Бэкона. До этого на протяжении многих веков тепло и холод ассоциировались у людей лишь с повседаевными ощущениями.
Первым, насколько известно, кто попытался перейти к более объективным показателям теплового состояния тел, был еще Филон Александрийский (I-II вв. н.э.). В своем сочинении "А1еханика" он описал прибор для тепловых измерений - термоскоп, состоящий из двух связанных трубкой сферических сосудов. Сосуд I частично заполнен водой, а остальное пространство занято воздухом (рис. 1.3). Сосуд 2 полностью заполнен воздухом. Если освещать сосуд 2 солнцем, то воздух из него по трубке переходил в сосуд 1, что можно было наблюдать по пузырькам, выходившим из трубки. Если, напротив, поместить сосуд 2 в тень, то вода поднималась по трубке и частично переливалась в него из сосуда I. Таким образом, Филон не т。"%
рис. 1.3. Термоскоп Филона Александрии- скогорис. 1.3. Термоскоп Филона Александрии- скогоРис. 1.4. Термоскоп Галилея фисунок XVII в.)
рис. 1.3. Термоскоп Филона Александрии- ского
рис. 1.3. Термоскоп Филона Александрии- ского
ко заново открыл и показал расширение воздуха при нагревании (это было известно еще египетским жрецам), но и создал прибор, позволяющий судить о повышении или понижении температуры.
Прошло много лет, пока Г. Галилей не повторил опыт Филона (1597 г., Пиза). Прибор, который он демонстрировал на лекциях, показан на рис. 1.4. Принципиально он ничем не отличается от своего прототипа (это иногда служило даже поводом для дискуссий о приоритете). Так же, как и прибор Филона, ^термоскоп55 Галилея не имел шкалы, и его' показания носили чисто качественный характер; кроме этого, на них могли отражаться и колебания атмосферного давления (об этом, правда, в то время ничего не было известно, так как работы ученика Галилея - Торичелли по изучению атмосферного давления еще были впереди). Тем не менее первый шаг в термометрии нового времени был сделан.
В дальнейшем прибор Галилея был существенно улучшен кленами флорентийской ,5Академии опытов». Они снабдили ег° шкалой (из бусин одинакового размера, припаянных к труб- ке) и удалили воздух из резервуара и трубки. Тем самым влия- НИе атмосферного давления исключалось. Хртя они и не при- своили точкам шкалы определенных числовых значений, им Удалось установить постоянство точки плавления льда. При
любых условиях она соответствовала одн и той же точке шкалы»
旧旧Рис. 1.5. Термометр АмонтонаРис. 1.5. Термометр АмонтонаПервые попытки зафиксировать опред ленные реперные точки термометрической шкалы предпринимались несколькими ис» следователями. Среди них следует отметить Отто фон Герике (1602-1686 гг.) - знаменитого бургомистра Магдебурга, с научными достижениями которого мы еще не раз ветре, тимся. Он четко осознавал необходимость иметь две точки на шкале, чтобы разбить интервал между ними на определенное число делений (градусов) и продолжить деления, в случае необходимости, и за пределы этих двух точек. Но выбор их, сделанный Герике, хотя и диктовался, по-видимому, патриотическими соображениями, был не очень удачен. Нижняя точка - средняя температура заморозков в Магдебурге, а верхняя -летняя температура в этом же городе. И та и другая точки - очень размытые; но все же у Герике получился уже не термоскоп, а термометр, хотя еще и несовершенный. О. Герике разместил свои термометры на наружной стене собственного дома для Пользы горожан Магдебурга.
旧
旧
Рис. 1.5. Термометр Амонтона
Рис. 1.5. Термометр Амонтона
Самый существенный шаг в развитии термометрии сделал француз Гийом Амонтон (1663-1703 гг.). Он сконструировал воздушный термометр, показанный на рис. 1.5, который уже очень похож на современный газовый. Трубка U-образной фор
мы с полым шариком на одном колене заполнена ртутью, как показано на рисунке. В зависимости от температуры воздуха в шаровом сосуде ртуть занимает то или иное положение.
Заслуги Амонтона состоят не только в создании более совершенного термометра. Он много сделал для развития уче- ния о тепловых явлениях. Он был первым, кто совершенно ясно высказал убеждение, что термометр измеряет не количество тепла, а степень нагретости тела - температуру. Таким образом, был сделан решающий шаг, позволивший четко разделить понятия "тепло” и "температура". Этим открывалась дорога для самостоятельного изучения физической природы каждого из них. Об том речь пойдет дальше, а пока нужно вер'
нуться к термометрии. 22
Г. Амонтон, задолго до открытия Гей-Люссаком закона тем- пературного расширения газов, утверждал, что расширение га- за происходит одинаково по всей температурной шкале, кото раЯ должна быть линейной. Оставалось сделать завершающий шаг - выбрать надежные неизменные универсальные точ- ки для температурной шкалы. Гюйгенс писал по этому поводу в 1655 г.: "Тогш не надо будет посылать термометр из одного места в другое, чтобы сравнить наблюдаемую степень тепла», р. Бойль в 1665 г. в труде ^Механические начала тепла” уже высказал твердое убеждение, что точки плавления всех тел постоянны; Р. Гук тоже считал постоянными точки плавления льда и кипения воды. Тем не менее И. Ньютон, предложивший свою конструкцию термометра с льняным маслом в качестве термометрического тела (т.е. заменивший газ жидкостью, что до него уже сделали во Флоренции), использовал только одну строго фиксированную точку - температуру таяния льда, которую он принял за 0℃. За вторую точку шкалы он взял температуру человеческого тела, придав ей значение 12℃. Выбор этой, на первый взгляд, странной системы имеет объяснение. Цифра 12 в средневековой медицине имела глубокий смысл. Каждое качество человека, связанное с "соками” организма (напримерэ кровью, желчью) могло быть выражено в большей или меньшей степени. Эти степени оценивались в градусах, максимальное число которых было четыре, а каждый градус делился на три ступени. Таким образом, шкала каждого качества имела 12 ступеней. Вообще, цифра 12 (”дк> жина^), которая делится на два, три и четыре, была в античности и средневековье очень популярна. Ведь апостолов Христа было тоже 12!
Термометры, по своему устройству ничем уже не отличающиеся от современных, создал впервые Габриэль Фаренгейт (1686-1736 гг.). Он изготовлял ртутные и спиртовые термометры весьма высокого класса; при этом подошел к делу очень основательно. Достаточно сказать, что им был разработан специальный метод очистки ртути, а перед запаиванием термометрической трубки он кипятил жидкость, удаляя таким образом из нее воздух. Но для термометрической шкалы Фаренгейт, подобно Ньютону, выбрал тот же ,9полужесткийп вариант, с опорой только на одну строго фиксированную точку - темпера- Dpy таяния льда; он дал ей значение 32°. Вторая точка - 96° соответствовала температуре тела здорового человека, пред-
ставление о которой может быть разным. Все дело в том, куда сунуть термометр: если его поместить в рот (как делают в США), то температура будет 98,5°F, а если под мышку, то 98°Е Получилась несколько своеобразная шкала (ее градусы по имени изобретателя обозначаются буквой "F”), на которой 212°F соответствуют температуре кипения воды. Шкала Фаренгейта до сих пор широко используется в англоязычных странах.
В те же 20-е годы занимался разработкой ртутных термометров петербургский академик Ж. Делиль, основатель астрономической обсерватории в здании Кунсткамеры на Васильевском острове. Термометры Делиля были основательными и надежными приборами; ими пользовались в России многие исследователи, в частности Ломоносов и Рихман. Шкала Делиля была расположена между двумя фиксированными точками - температурами кипения воды и таяния льда. Первой соответствовал 0°, второй -150°.
Француз Рене Реомюр (1688-1757 гг.) не одобрял применение ртути в термометрах из-за ее сравнительно низкого коэффициента расширения и предпочитал спирт. Поскольку эта жидкость расширяется между температурами таяния льда и кипения воды в отношении 1000:1080, он предложил шкалу на этом отрезке разделить на 80 частей. Через 12 лет, в 1730 г., Цельсий (1701-1744 гг.) разделил этот же интервал на 100 частей, но принял за 100℃ температуру таяния льда, а за 0℃ - температуру кипения воды. Таким образом, он сделал такую же "перевернутую" шкалу, как и Делиль, но разделил ее иначе, взяв более удобное число градусов.
Возникает естественный вопрос 一 почему и Делиль, и Цельсий поставили шкалу "вверх тормашкамин? Ведь не может быть, что у них не было каких-то соображений на этот счет! Действительно, и тот и другой заложили в построение шкалы определенную идею: она заключалась в том, чтобы при измерении низких температур избежать отрицательных значений градусов. Чем больше мороз, тем больше термометр показывал градусов холода.
Как будут считать градусы выше точки кипения воды — ученых того времени особенно не волновало, поскольку задачи такого рода еще не возникали. Напротив, температуры, лежащие ниже точки замерзания воды, встречались и в природе зимой, и уже создавались искусственно посредством охлаждающих смесей. Наконец в 1750 г. Штремер все же ^перевернул**! 24 ]
шкалу Цельсия, и она приняла современный вид. Однако наименование "градус Цельсий осталось.
Интересно отметить, что знаменитый шведский ботаник Карл Линней, создатель основ классификации растений, тоже занимался совершенствованием температурной шкалы. Он предложил еще раньше Цельсия (в 1738 г.) стоградусную шкалу, где о℃ соответствовал температуре таяния льда, а 100℃ - температуре кипения воды. Однако его идея не привлекла внимания физиков, и шкала температур ,9кувыркаласьи еще рЯД 〃ет, пока не вернулась в нужное положение. Таким образом, ,9по совестии, шкала Цельсия должна была бы называться «шкалой Линнеяъ.
С середины ХУШ в. термометр прочно вошел в арсенал физических исследований, а затем стал широко использоваться и в быту — для измерения температуры в помещениях и на ули- це9 а также в медицине. Вместе с тем физическое содержание понятия "температура” оставалось нечетким. Это и неудивительно: ответить на вопрос о том, что такое температура, можно было только в том случае, если будет уяснен смысл понятия "тепло” (а исходя из этого и "холод”).
В этом отношении XVII и особенно XVIII в. дали очень много: была подготовлена база для того, чтобы в следующем, XIX в., ответить на вопрос окончательно.
В начале XVII в. о природе тепловых явлений по существу ничего не было известно. Теория Аристотеля о смеси теплого и холодного начал ("температуре") уже изжила себя. Г. Галилей заменил ее предположением о существовании одной невесомой тепловой материи (от латинского слова calor, получившего в русской терминологии название "теплород"). Эта материя обладает способностью перетекать от одного тела к другому. Чем больше ее содержание в теле, тем сильнее оно нагрето, и наоборот - чем меньше, тем оно холоднее. Понятие о пхолод- ном” начале при таком объяснении уже стало ненужным.
Почти одновременно с Г. Галилеем и Ф. Бэкон в одном из основных своих трудов — знаменитом "Новом органоне,5, выдвинул другую теорию тепловых явлений 一 корпускулярную. Рао суждения по этому поводу на основе ряда проведенных им опытов привели его к выводу, что тепловое состояние тела определяется движением некоторых малых невидимых частей тел - корпускул. И та и другая точки зрения были лишь гениальными догадками, а не теориями с серьезными
экспериментальными обоснованиями и количественным а Л ЛИЗОМ. Я
В дальнейшем борьба между сторонниками этих воззрений идущих от Галилея и Бэкона^ продолжалась более 200 лет; в ходе ее были получены важные результаты, одним из которых было окончательное разделение понятий "температура” и "тепло".
Если говорить о разделах науки, связанных с теплом, то пои ле этого разделения вплоть до 20-х годов и даже середины Х1Хв. они развивались хотя и быстро, но в ограниченных рамках калориметрии, теоретической базой которой служила вещественная теория теплоты или теория ,5теплорода,>2. Другими словами, изучались и измерялись лишь явления, связанные с переходом тепла (теплорода) между телами, но без вся- кой связи с другими формами энергии или ее преобразованиями.
При этом техника значительно опередила науку - паровые машины, преобразовывающие теплоту в работу，не только были созданы, но и постоянно совершенствовались. Но это совершенствование проводилось тогда методом проб и ошибок или, иногда, посредством исследований прикладного характера. Дальше мы увидим, что и создание холодильных установок шло вначале таким же путем.
Тем не менее очень многое было сделано и в теории, и в части накопления экспериментального материала. Здесь очень большую роль сыграли работы друга Ломоносова - петербургского академика Г. Рихмана, а затем Д. Блэка. Д. Блэк ввел понятия "теплоемкость" и *скрытая теплота,? (плавления и кипения) и тем самым окончательно разделил понятия *5теп-
Рис. l.b. Джозеф БлэкРис. l.b. Джозеф Блэкпо» и “температура". Оказалось, что и неизменной температуре можно как сообщать телу тепло, так и отводить его.
Рис. l.b. Джозеф Блэк
Рис. l.b. Джозеф Блэк
К концу XVIII в. сложилось положе- №, когда обе теории теплоты - и вещественная, и корпускулярная - существовали одновременно. Первую от- стаивали и развивали после Г. Галилея X. Вольф, Д. Блэк, А. Кроуфорд, JK. Фурье, вторую - И. Ньютон, Д. Локк, Т. Гоббс, Р. Гук, Д. Бернулли, Б. Румфорд, Л. Эйлер, Г. Крафт, М. Ломоносов. г. Рихман, сначала придерживаю-
щийся вещественной теории, позже перешел на сторону М. Ломоносова. Однако преимущество все же было за вещественной тео
рией, которая хорошо объясняла все калорические опыты, связанные с нагревом и охлаждением тел и теплопередачей: количества теплоты (мтеплородаэ,) оставались при всех опытах
неизменными.
Корпускулярная теория уступала ей в том, что носила качественный характер и не могла дать базу для количественных тепловых расчетов; тем не менее факты, свидетельствующие в ее пользу, накапливались. Важнейшими из них были зн歩 менитые опыты графа Б. Румфорда с выделением тепла при сверлении пушек (1798 г.), необъяснимого (даже с натяжками) на основе теории теплорода. Наиболее отчетливо вся ситуация с теорией тепловых явлений была отражена в работах А. Лавуазье и П. Лапласа, относящихся к 90-м годам XVIII в. Излагая обе теории, они в конечном счете воздерживаются от окончательного вывода: 55Возможно, что обе теории справедливы одновременно". Такой уровень учения о теплоте (а следовательно, и о холоде) не позволял еще подвести базу под поиски новых путей получения низких температур. Однако уже можно было прогнозировать некоторые общие положения, относящиеся к этой области. Первое из них связано с вопросом о том, существует ли нихсняя граница температурной шкалы и если существует, то как далеко она находится? Вто* Р°е положение связано с не менее интересным и важным вопросом —как будут вести себя газы и жидкости при низких температурах?
1Л. иНАИНИЗШАЯ СТЕПЕНЬ ХОЛОДА*
Итак, понятия "тепло" и "температура” были разграничены； был накоплен экспериментальный материал, позволяющий в первом приближении подойти к теории тепловых явлений. Естественно, в порядок дня встал вопрос о том, как далеко может простираться температурная шкала - как вверх, так и вниз.
По части верхнего предела температур и та и другая гипоте- зы ничего существенного дать не могли; действительно, как определить предельное содержание ,!тепловой материип - теплорода в теле (и есть ли такой предел вообще)? Точно так же не было возможности установить, какая интенсивность теплового движения молекул (корпускул) тела может быть предельной.
По этим причинам вопросом о существовании верхнего предела температур специально никто не занимался. Он вообще не был в то время актуальным (того, что давал огонь, вполне хватало и для практики, и для научных исследований).
Совсем иная ситуация сложилась в области низких температур. Здесь можно было подойти к решению задачи как с позиций вещественной, так и корпускулярной теорий теплоты. Кроме этого, и в части экспериментального исследования можно было ожидать много нового, в особенности при охлаждении различных газов и жидкостей.
Все занимавшиеся этими вопросами с редким единодушием и независимо от приверженности к той или иной гипотезе о природе тепла приходили к выводу, что нижний предел охлаждения несомненно существует.
Первым и здесь был Г. Галилей. Вот его мнение, относящееся к 1613 г.: ,,При увеличении количества теплорода температура тела повышается, а при уменьшении - понижается. При полном отсутствии теплорода в теле достигается наияизшая возможная температура”.
Английский философ Д. Локк, придерживающийся противоположной -корпускулярной теории теплоты, пришел тем не менее к такому же выводу (1698 г.): ,\..Максимальная степень холода означает прекращение движения неосязаемых частице-
Уже упоминавшийся ранее в связи с историей создания термометра Гийом Амонтон (1663-1705 гг.) обратился в 1702 г. с двумя докладами во Французскую академию наук, которые, к сожалению, мало известны. Первый доклад посвящен некого- 28
ыМ новооткрытым свойствам воздуха и способам точного оПределения температуры. Г. Амонтон рассматривал тепло как движение частиц тела, хотя он никак не объяснил природу это- г0 движения. Тепло, по его мнению, служит и общей причиной всех передвижений на земле, ибо "при отсутствии тепла мель- чайшие частицы земли остались бы без движения,!. Он под- тверждал это положение наблюдениями над направленным движением воздуха в атмосфере, вызванным воздействием тепЛа. По существу он был совершенно прав, так как движение масс воздуха в атмосфере, так же как воды в морях и океанах, неразрывно связано с тепловыми воздействиями на них.
Мимоходом Амонтон заметил: "Мы не знаем предела тепла и холода, но полученные результаты устанавливают соответствие между ними для тех, кто хочет поразмыслить над зтпм”. В следующем году (1704 г.) Амонтон представил Академии еще одну статью, расширяющую пределы исследований. В ней он подчеркнул, что, поскольку степень тепла в его термометре регистрируется высотой столбика ртути, которую тепло поддерживает воздействием расширяющегося воздуха, то, следовательно, крайняя степень холода будет такой, какая сможет лишить воздух способности к расширению. Это ,5будет куда более сильный холод, чем тот, о котором мы говорим ,?очень холодно".
Из экспериментов Амонтона получалось, что воздух не будет сжиматься, если его охладить ниже температуры замерзания воды на число градусов в 2,5 раза превышающее интервал, разделяющий температуры кипения и замерзания. Другими словами, если разделить его между крайними точками на 100 частей, тогда абсолютный нуль воздушного термометра Амонтона будет на уровне -250°.
Это удивительно близко к истинному значению абсолютного нуля: -273,15℃.
Вклад Амонтона в науку постигла судьба, которой часто отмечены ?,слишком передовые55 открытия - он был попросту игнорирован, или, во всяком случае, недооценен научным мл・ ром того времени (да и позднее). Только Л. Блэк признавал приоритет Г. Амонтона в термометрии и теории теплоты. В част- Ности, он соглашался с положением Амонтона, что воздух мож- но привести ,5при достаточном холоде" даже в твердое состоя- ние* Он, ссылаясь на труды Амонтона, назвал его 3,выдающим- ся членом Королевской Академии наук в Париже,5.
Позже немецкий ученый И. Ламберт повторил в 1750-1755 гг.! опыты Амонтона и в работе 9,Пирометрия*\ вышедшей в 1779 г.， подтвердил его • результаты, вновь обратившись к абсолют- « ной шкале температуры. Наблюдения Ламберта были провз дены с большой тщательностью и привели к небольшой кор. рекции значения абсолютного нуля (до ~270℃). Ламберт указал, что эта температура может быть названа "абсолютным холодом" и при этой температуре объем воздуха практически станет неощутимым* Иными словами, частички воздуха слипнутся вместе и он будет плотным, как вода.
И. Ламберт справедливо отметил, что открытие Г. Амон- тона нашло мало приверженцев потому, что оно было слишком прекрасным и передовым для своего времени. То же самое, кстати говоря, произошло с работой самого Ламберта по теории теплоты.
Все это становится понятным, если сравнить полученные Амонтоном и Ламбертом значения с другими прогнозами, сделанными значительно позже.
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 ну* ля. 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). Позже Д. 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- 3000℃ ниже точки таяния льда и затем 600℃.
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 рождае^ ся стужей, которая тогда в самый большой градус приходит?
%or口а сие движение совершенно перестанет и тончайшие частицы между собой в покой приведены бу тут».
Того же мнения придерживался и М. В. Ломоносов. На ос- нове своего варианта корпускулярной теории, изложенной в работе "О причинах тепла и стужи,! (1744 г.), он пришел к вы- вОду, что "по необходимости должна существовать наиболъ- шаЯ 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 ,5terra frigidus incognita55, какие но- вне 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. Для некоторых металлов были известны твердое и жидкое состояния (последнее - при плавлении). Ртуть была получена в твердом виде искусственно только в 1760 г. академиком И. Брауном в Петербурге посредством смеси снега с разбавленной серной кислотой. Раньше твердая ртуть наблюдалась впервые при сильном морозе в Иркутске (1736 г.). До этого существовало твердое убеждение, что в отличие от других металлов ртуть всегда жидкая. Утверждали, что некоторые жидкости (спирт, эфир) существуют только в жидком и газообразном состояниях, а газы - только в газообразном, Что будет с ними при низких температурах - оставалось неясным. Однако молекулярные представления о природе тел и корпускулярная теория теплоты1 давали возможность делать некоторые прогнозы. Приведем два из них - более ранний - физика И. Ламберта (1743-1777 гг.) и универсального ученого (физика и химика) А. Лавуазье (1743-1794 гг.). И. Ламберт писал: "Степень тепла, равная нулю, может быть фактически названа абсолютным холодом. Значит, при абсолют- ном холоде объем воздуха равен, или почти равен, нулю. Мож- но сказать, что при абсолютном холоде воздух становится столь плотным, что его частицы абсолютно соприкасаются одна с другой, так что воздух становится непроницаемым,\ Други-
5°вами> Ламберт говорит о твердом воздухе-"воздушном льде552»
~ Независимо от того, какой вид движения брался за основу — колебатель- "ый (как у Бернулли) или вращательный (как у Ломоносова).
2 с
епРаведливость требует вспомнить, что первым указал иа возможность за- ораживания воздуха Г. Амонтон.31
А. Лавуазье дал уже более развернутую и образную кар. тину: "Если бы мы смогли поместить землю в некую весьма ха лодную область, например в атмосферу Юпитера или Сатурна то все наши реки и океаны превратились бы в горы. Воздух (или по крайней мере некоторые его компоненть$ перестали б& быть невидимыми и превратились бы в жидкость*\
При этом интересны два момента - не только предсказание возможности ожижения компонентов воздуха, но и пророчен кое указание на свойства "холодного** космоса.
Однако далеко не все понимали возможность и реальность хотя бы в будущем ожижения газов. В этом отношении характерен пример Д. Свифта - человека, который не только очень во многом опередил свое время, но и сделал некоторые научные прогнозы, которые до сих пор вызывают удивление. Достаточно вспомнить его предсказание о том, что у Марса есть два спутника. В его время их никак нельзя было разглядеть, и комментаторы до сих пор гадают, как это получилось.
Но даже Свифт считал ожижение воздуха совершенно немые- лимым. В ^Путешествии Гулливера" он описал академию в Лапуте, в которой дал карикатуру на Лондонское Королевское общество. При этом со свойственным ему сатирическим мастерством он придумал лапутянским академикам совершенно бессмысленные темы научных работ. Среди них наряду с извлечением солнечного света из огурцов фигурирует и ожижение ("сгущение”)воздуха.
Это описание относится к 1726 г. ?,Под началом великого ученого находилось 50 рабочих. Они сгущали воздух, делая его осязаемым, извлекая из него азот и давая испаряться текучим и водянистым частицами.
Но самое интересное во всем этом, что, желая посмеяться над учеными мужами, Свифт сделал предсказание, идущее намного дальше, чем серьезное научное пророчество Лавуазье. Извлечение азота из жидкого воздуха, о котором писал Свифт,- это же основа целой отрасли низкотемпературной техники ХХв.!
Мы еще вернемся к этой теме в одной из следующих глав； теперь же нужно обратиться к истории - к той ее части, которая относится к началу экспериментальной физики низК严 температур. 《
рл а в а вторая
НАЧАЛО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР (первая половина ХКв.)
Если я занимаюсь каким-либо предметом, я сначала произвожу опыты, а потом делаю выводы и строю доказательства.
Леонардо да Винчи
ОЖИЖЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ» ГАЗОВ
В конце XVIII в. исследователи имели в своем распоряжении два способа получения низких температур: смешение (охлаждающие смеси) и испарение жидкости.
Усовершенствование и того и другого способов для получения возможно низких температур рассматривалось не столько как самостоятельная цель, сколько как средство для ожижения газов и замораживания жидкостей. Со времен Амонто- на и Блэка мысль о возможности ожижения и даже замораживания всех газов завладела умами многих исследователей. Однако на практике физикам до этого времени удалось перевести в твердое состояние из жидкостей только ртуть, а из газов в жидкое - лишь аммиак NH3 и сернистый ангидрид SO2. Первое сделал совершенно случайно голландский физик М. Ван-Марум (1750-1837 гг.), исследуя сжимаемость аммиака путем сжатия его ртутью в стеклянной трубке. Он заметил (1787 г.), что при давлении около 0,6 МПа аммиак превращается в жидкость уже при комнатной температуре. Г. Монж и 〃・ Клуэ ожижили в 1780 г. (уже специально) SO2 другим путем: 0HM не повышали давление, но зато понижали температуру, применяя классическую охлаждающую смесь - лед с поваренной солью.
Стало очевидным, что для дальнейшей успешной работы по переводу газов в жидкое состояние нужно было, с одной стороны, совершенствовать способы повышения давлений и, с Другой, найти пути интенсивного охлаждения с помощью испарения или охлаждающих смесей.
Первая задача была чисто конструктивной и решалась к ：°му времени относительно просто. Были известны два спосо 6а ее решения:
зз
с помощью нагревания газа или жидкости в замкнутом про. странстве и использования полученного повышения давле. ния для сжатия исследуемого газа;
в результате применения для повышения давления механического устройства типа поршневого насоса. Проще всего было использовать жидкостный насос, накачивая жидкость (например, ртуть) в сосуд, заняты^ исследуемым газом. Вдавлин ваясь в него, жидкость занимала определенный объем, вытесняя газ и повышая его давление.
Использовались и некоторые более хитрые способы повы« шения давления - например, проведение в замкнутом простран*； стве химической реакции с выделением нужного газа. Поду/ мялись даже погружать в море пузырь с газом, чтобы его сжима-* ло давление воды на глубине. :
Во всех случаях (кроме последнего) трудность состояла в' выборе материалов для сосуда, в котором производился экспе-j римент. Сосуд должен был быть достаточно прочным, чтобы выдержать высокое давление; кроме этого, желательно, чтобы он был прозрачным и позволял наблюдать процесс ожижения. Лучше всего подходило стекло, но оно часто лопалось (М. Фарадей несколько раз пострадал при взрывах стеклянных приборов). Чугунные сосуды тоже разрывались. В конце концов опыты такого рода при высоких давлениях стали проводить в стальных или медных сосудах.
Вторая задача - совершенствование способов охлаждения - относилась больше к области физики и требовала теоретического осмысления. После работ Д. Папина, установившего зависимость температуры кипения воды от давления, и Д. Блэка, открывшего ,3скрытую теплоту” плавления и кипения, пути такого осмысления открылись.
Древнее испарительное охлаждение получило теперь однозначное объяснение. Стало очевидным, что на процесс перехода жидкости в пар нужно затратить определенное количество тепла, которое пар уносит с собой, хотя его температура и остается той же, что и жидкости. Если испарение производить без внешнего нагрева (например, огнем или солнечным теплом), а пар отводить (вспомним египетских рабов с веерами-опахалами), то необходимое количество тепла можно взять только у самой жидкости. Естественно, что ее температура при этом понижается. В соответствии с открытием Папина должно понижаться и давление пара (чем выше 34 1
давление, тем температура кипения выше; чем ниже давле- н^е - ниже температура кипения). Однако испарение воды иЛИ другой жидкости (например, эфира) происходит в возду- хе, который в процессе не участвует, а напротив, давит на воду, меШая, по-видимому, ей испаряться. Что, если поместить со су〃 с испаряющейся жидкостью под колпак воздушного насо са и откачивать из-под него и воздух, и образующийся пар исследуемой жидкости? Воздушный вакуумный насос, изобретенный знаменитым физиком и бургомистром Магдебурга Отто ф0Н Герике и усовершенствованный Р. Бойлем, был уже в это врем仪 в распоряжении исследователей.
И действительно, опыты показали, что температура кипения жидкостей под вакуумом быстро понижается, а вода даже может быть заморожена. Таким образом, исследователи, расширив область возможностей испарительного охлаждения, получили мощное экспериментальное средство для дальнейших работ по ожижению газов воздействием низких температур.
В это же время продвинулось вперед как исследование.
так и совершенствование второго метода охлаждения - посредством смешения (растворения). Существенную роль сыграло здесь наблюдение Р・ Бойля, сделанное при изучении охлаждающих смесей. Он заметил, что не всякие соли годятся для приготовления охлаждающих смесей на основе водяного льда. Соли, препятствующие быстрому таянию льда, не давали эффективного охлаждения. Наоборот, те соли, которые способствовали его таянию и растворялись в получающейся воде, Давали эффективное охлаждение. Эти результаты содержались среди прочих важных сведений в его докладе Лондонско- му Королевскому обществу в 1682 г.: "Новые опыты и наблюде- ни^ над холодом или экспериментальная история холода”. Что, по существу, означало выражение "способствовала таянию55? Очевидно, что лед таял тем быстрее, чем лучше данная соль или другое вещество растворялись в воде. Пере- xoq соли в раствор понижал температуру его затвердевания; поэтому раствор оставался жидким и при понижении темпера- туры. Соль могла растворяться и дальше по мере таяния льда, "ри этом тепло забиралось на "скрытую” теплоту плавления “ьда и поглощалось водой. Низкая температура поддержива- Лась ло тех пор, пока не таял весь лед. Р. Бойль использовал большое ' число охлаждающих смесей льда с различными солями и кислотами и установил их свойства.
Наконец М. Фарадей придумал соединить охлаждение рас, творением с действием вакуума. Это позволило еще больще понизить температуру при ожижении газов.
Прежде чем перейти к описанию этих исследований, нужно по-видимому, сделать одно предварительное замечание. Не сл& дует думать, что опыты по ожижению газов, были приоста- новлены до тех пор, пока полностью прояснятся все практи- ческие и теоретические вопросы, связанные с этим процессом. "Штурм крепостии упорно продолжался, а теоретическое и тех. ническое 5,оружие и боеприпасы59 вырабатывались и подвози- лись в ходе сражения. Ждать, пока "у последнего солдата будет пришита последняя пуговица55, было нельзя. История науки показывает, что ее движение осуществлялось именно таким путем наиболее быстро.
Первым, кто в XIX в. обеспечил решающий прорыв в новую область, был знаменитый М. Фарадей. Этот удивительно разносторонний гений науки, продвинувший намного вперед целый ряд ее направлений (от химии и учения об электричестве до металлургии и научной терминологии), сделал очень существенный вклад в физику и технику низких температур. Он по праву может числиться в кругу основоположников низкотемпературной техники. М. Фарадей начал работать в этой области с 1823 г. Важно сразу же отметить, что он использовал самую простую экспериментальную технику, но в сочетании с оригинальными способами постановки и решения задач получались результаты исключительной ценности.
Началось все с того, что он, по поручению своего шефа Г. Дэви, изучал влияние нагрева на хлоргидрат С1^Н2О. Прибор, использованный им для этой цели, был предельно простым (рис. 2,1). Эта была изогнутая стеклянная трубка, запаянная с обоих концов. При нагревании кристаллы расплавлялись, выделяя зеленовато-желтые пары (это был хлор), которые осели на стенках холодного колена трубы в виде зеленовато-жел* тых капель. Далее произошла небольшая сцена, о которой часто вспоминают в биографиях М. Фарадея. В лабораторию вошел друг Дэви доктор Парри. Окинув взглядом установку на которой работал Майкл, он заметил желтые пятна на стен， ках трубки и решил, что это следы масла, оставшиеся на стенках. Сделав по этому поводу соответствующее замечание, он удалился. На следующий день он получил записку от Фараде^ "масляные пятна оказались жидким хлороми. Этот незначи-
pm・ 2.1-Трубка Фарадея:
I - изогнутая трубка; 2 - ве- 1ngeтво, выделяющее при нагреве ожижаемый газ; 3 - холодное ко- лено трубкн с ожиженным газели 4 - сосуд с охлаждающей водой
тельный эпизод полон глубокого смысла. В нем вплотную встретились два уровня интеллекта: ученого доктора Парри, мыелк которого не пошли дальше необходимости мыть трубки перед опытом, и недавнего переплетчика-самоучки Фарадея, который понял, что перед ним неизвестный до этого жидкий хлор.
Ожижение хлора при комнатной температуре стало возможным потому, что давление в трубке поднялось намного выше атмосферного. Хлор был третьим (после NH3 и SOJ газом, впервые переведенным в жидкое состояние.
Фарадей понял, что, используя такую же изогнутую трубку (в дальнейшем она была названа "трубкой Фарадея99), можно попытаться ожижить и другие газы. Нужно было только подобрать такие химические реактивы, которые выделяли бы при нагреве нужные газы под давлением.
В серии последующих опытов Фарадей посредством своей трубки (применив незначительное охлаждение, не ниже 0℃) (рис. 2.2) ожижил еще шесть газов, из которых пять (кроме SO2) были получены в жидком виде впервые. Это были: сероводород H2S, полученный при взаимодействии FeS и НС1 (при давле- нии 1,7 МПа и температуре 10℃), диоксид азота NO29 получений разложением нитрата аммония NH4NO3, циан (СН)2 и ди- оксид углерода СО2. При опытах давление в трубке поднимаюсь довольно значительно (до 5 МПа для NO2 и 36 МПа для С°а)； трубки несколько раз рвались.
Продолживший работы в том же направлении, что и М. Фара- "ей, француз К. Тилорье решил, сохранив его методику, перей- ти на металлическую конструкцию прибора. Первый вариант а口парата, выполненный из чугуна, оказался неудачным, Апиа- Рат при повышении давления разорвался, и препаратор погиб. Это
Рис. 2.2. Первый прибор Фарадея для ожижения газов:
А — ванна для нагрева горячего конца трубки; В — сосуд с охлаждающей смесью
произошло в 1840 г.; в дальнейшем установка была усовер- шенствована (рис. 2.3): чугунные сосуды заменили свинцовыми, покрытыми медью и заключенными в кожух из стальных колец. Первый из них А, играющий роль горячего колена трубки Фарадея, был подвешен на двух стойках так, что его можно было поворачивать вокруг горизонтальной оси CD; внутри его помещен открытый сверху сосуд, заполненный одним из веществ, которое, взаимодействуя с другим, находящимся в нижней части цилиндра, образует газ, нужный для опыта. Такой парой веществ могут служить, например, серная кислота H2SO4 и двууглекислая сода NaHCO3.
После загрузки реактивов и герметизации цилиндр переводился в горизонтальное положение и вещества смешивались. В рассматриваемом примере кислота выливается на соду и образуется диоксид углерода (углекислый газ СО2). Открывая кран Н, можно перепустить газ в сосуд В через трубку Е. При этом, используя высокое давление газа, производили опыты по переводу его в жидкое состояние. Специальное охлажде* ние сосуда здесь не предусматривалось. Пользуясь этой у станов- кой, Тилорье повторил опыты Фарадея и получил жидкий ди-
оксид углерода в намного большем количестве, что позволяло уже заняться изучением его свойств. При этом было сделано важное открытие, природа которого в то время еще не была достаточно понятна. Она полностью раскрылась только в дальнейшем, и мы к этому вернемся. Однако открытие это сразу же нашло практическое применение и помогло сделать следующий крупный шаг в области перевода газов в жидкое и даже твердое состояние.
Было обнаружено, что если сосуд F, содержащий под давлением жидкий диоксид углерода, отсоединить от сосуда А и, открывая кран G, выпускать жидкость в атмосферу, то она час- тично испаряется, а частично превращается в белые холод- н&е хлопья, напоминающие снег. Этот "снег” на воздухе быстро испарялся, не расплавляясь. Если на трубку, выходя- Щук> из экрана G, надеть холщовый мешок, играющий роль Фильтра, то "снег” диоксида углерода можно отделить от га- за и собрать, чтобы изучить его свойства. Оказалось, что он испаряется при температуре -79℃, не переходя в жидкость1.
Поэтому он в дальнейшем и получил название **сухой лед".
Все эти "чудеса" с углекислым газом вызвали недоверие в yq& ном мире. К. Тилорье нашел красивый способ продемонстриро. вать свое открытие. Он начеканил медали из сухого льда и раздал их приглашенным коллегам. Перекидывать обжигающе-ха лодные диски в руках долго не пришлось - они тут же испари лись. Физики и инженеры получили новое, гораздо более эф. фективное средство охлаждения, чем водяной лед и смеси на его основе. Можно было, пользуясь ,5углекислотным снегом** получить уже на новой базе другие охлаждающие смеси. Далее было установлено, что по мере понижения давления температура испарения СО2 опускается до -100℃ и ниже.
Фарадей после проведения серии работ по ожижению газов, о которой говорилось выше, занялся другими не менее интересными делами. Однако, после их завершения, в 1845 г. он опять вернулся к этой теме, опираясь уже на новые возможности, связанные с одновременным, совместным действием повышенного давления и охлаждения. К этому времени на основе сухого льда были разработаны две новые охлаждающие смеси - так называемая "смесь Тнпорье” СО2 4- С2Н5 - О - С2Н5 (этиловый эфир) и СО2 - СН3С1 (хлорметил). Для большего понижения температуры Фарадей применил и вакуумирование охлаждающей смеси, что позволило ему уверенно перейти рубеж -100℃. Второй прибор Фарадея показан на рис. 2.4. Он представлял собой U-образную стеклянную толстостенную трубку, одно колено которой с помещенным в нем манометром было запаяно, а другое через трубку А сообщалось с газовым компрессором, который мог накачивать в нее исследуемый газ под давлением до 4 МПа. Трубка U-образной формы нижней частью была погружена в охлаждающую смесь Тилорье. Если нужно было вакуумировать смесь, установку помещали под колпак, из-под которого выкачивали воздух через трубку, проходившую в центре подставки. В последнем случае температуру охлаждающей смеси сразу после опыта измеряли спиртовым термометром, снимая стеклянный колпак.
2 & Второй прибор Фарадея для ожиж飢 газов：■
—трубка для подачи газа под давле- А . В - стеклянный колпак для ваку- 个^даания охлаждающей жидкости; С - ^р^ная трубка для конденсации газа; р-манометр
Пользуясь этим прибором, Фара- 〃ей впервые ожижил и даже заморозил многие газы, не поддававшиеся предыдущим исследовате- л兔м・ Были ожижены: бромистый водород НВг, иодистый водород HI, сероводород H2S, фосфористый водород РН3, этилен С2Н4, мышьяковистый водород AsH3 и фтористый кремний SiF4; причем, продолжая удалось и заморозить. Кроме этого,
охлаждение, первые три были превращены в ледохлаждение, первые три были превращены в ледсернистый газ SO2, аммиак NH3, монооксид азота NO, циансернистый газ SO2, аммиак NH3, монооксид азота NO, циан(CN)2・(CN)2・Этот мощный прорыв был крупным научным достижением и произвел большое впечатление на соврекАнников. Однакц сам Фарадей не был полностью удовлетворен его результатом. Несмотря на все усилия, шесть из известных в то время газов: водород, азот, кислород, диоксид азота, оксид углерода и метан -,5устояли,5 и не перешли в жидкое состояние даже при 50 МПа и -110℃. Поэтому их назвали ,эпостоянными,5 газами в отличие от всех других, которые в результате длительных усилий сделались ,,непостоянными,\ wIIocTonHHbie,5 газы стойко противостояли всем самым отчаянным попыткам их ожижить. В 1828 г. Колладон сжал воздух до небывалого в то время давле- Ния 40 МПа при температуре -302С. В 1843 г. Эме погружал со- суды с кислородом и водородом в море на глубину более 2 км, :口е давление составляло 22 МПа. Дальше - больше: 1850 г.- ертело сжал кислород до .78 МПа и охладил твердым диокси- "°м углерода СО2 до -79℃; наконец, 1854 г. - Наттерер ,9дожалм несколько ,9постоянных5Э газов до 280 МПа - ни один не поддался!
охлаждение, первые три были превращены в лед
охлаждение, первые три были превращены в лед
сернистый газ SO2, аммиак NH3, монооксид азота NO, циан
сернистый газ SO2, аммиак NH3, монооксид азота NO, циан
(CN)2・
(CN)2・
Все эти неудачные попытки привели некоторых ученых « выводу о том, что "постоянные” газы вполне соответствуй своему названию и в принципе не могут быть ожижены (отслх да и термин ,,постоянныем)； поэтому и мучиться с ними не ну* но. Однако Фарадей не был с этим согласен; он смотрел намного дальше. При этом он понял, что понижение температуры, m торое ему удалось получить, все же недостаточно. "Оиевидцд при этой температуре никакое увеличение давления, как бы велико оно ни было, не может оживить газ. Следовательно возможно, что для кислорода, азота и водорода температура *110℃ выше нужной и поэтому {Нельзя ожидать, что какое бы то ни было давление (не сопровождаемое большим понижени. ем температуры, чем то, которое достигают) могло заставить эти элементы изменить газообразному состояниюи.
Дальнейший ход истории показалг что Фарадей был прав, Нужны были еще более низкие температуры. Но вопрос о тоц почему "постоянные" газы не желали ожижаться при тем пературах выше -110℃, был еще неясен. Не были также и по нятны способы, которые могли бы позволить получить еще более низкие температуры. Нужны были в каждом из этих двух направлений как новые идеи и теории, так и экспери* ментальные работы.
Да и с температурой не все было ясно. Есть ли абсолютный нуль температуры, где он находится и по какой шкале считать эти температуры? Ведь единого термометрического ве* щества для всей шкалы не было!
КРИТИЧЕСКАЯ И ТРОЙНАЯ ТОЧКИ.
АБСОЛЮТНАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
Стремление найти температурную границу газообразного и жидкого состояний веществ привело к тому, что наступле* ние на нее .велось сразу с двух сторон - и "сверху", и "снизу'
Если не считать отдельных частных попыток, то можно ска* зать, что решающий вклад в нахождение такой граничной температуры и определение свойств вещества в ней внесли два исследователя - Д・ И・ Менделеев и Т. Эндрюс. Первый подошел к ней "снизу” 一 от жидкости, изучая ее испарение, вто* рой - "сверху" - от пара, изучая его ожижение- Лучше всег° об зтом написал сам Менделеев в главном своем труМ ^Основы химии". Характерно, как скромно он пишет о себе “ кдк тщательно отмечает заслуги других:
Рис. 2.5. Дмитрий Иванович МенделеевРис. 2.5. Дмитрий Иванович МенделеевРис* 2.6. Томас ЭндрюсРис* 2.6. Томас Эндрюс
Рис. 2.5. Дмитрий Иванович Менделеев
Рис. 2.5. Дмитрий Иванович Менделеев
Рис* 2.6. Томас Эндрюс
Рис* 2.6. Томас Эндрюс
"Каньяр де-ла Тур, нагревая эфир в запаянной трубке около 190°, заметил, что при этой температуре жидкость сразу превращается в пар, занимающий прежний объем, т.е. имеющий плотность жидкости. Дальнейшие исследования Дриона, а также и мои, показали, что для всякой жидкости существует такая температура абсолютного кипения, ныне часто называемая критической температурой, выше которой жидкость не существует и превращается в газ,5. И далее: ”・•・ Если в жид- кости исчезает сцепление молекул, она становится газом, ибо между этими двумя состояниями нет, кроме сцепления3 иного коренного различия. Преодолевая его, жидкость при испарении поглощает теплоту. Поэтому температура абсолют-
ног。кипения определена мной (1861 г.) как таковая, при ко・ торой: а) жидкость не существует и дает газ, не переходящий в жидкость, несмотря на увеличение давления, б) сцепление равно нулю и в) скрытая теплота испарения равна нулю.
Понятия эти мало распространялись, пока Эндрюс (1869 г.)
не выяснил дело с другой стороны, именно, исходя из газов. °н нашел, что углекислый газ, при температурах, высших, "ем ЗГ5 не сгущается (т.е. не ожижается. - В. Б.) ни при каких Давлениях, при низких же температурах может сжижаться, емпературу эту он назвал критической. Очевидно, что она тож-
Дественна с температурой абсолютного кипения”.
критической, никаким сжатием его ожижить в принципе нельзя. Остаетсякритической, никаким сжатием его ожижить в принципе нельзя. Остается. ут все предельно ясно. Если газ имеет температуру выше
критической, никаким сжатием его ожижить в принципе нельзя. Остается
критической, никаким сжатием его ожижить в принципе нельзя. Остается
только один путь - понижение температуры.
Рис. 2.7. Диаграмма р, Т для тц趴 агрегатных состояний веществ^
Т 一 твердое; Ж 一 жидкое; 口、 пар; Г - газ (пар и газ относя^ к одному, газообразному состоя, нию); кр.т - критическая то叫 тр.т — тройная точка
Следует добавить, что Т. Эндрюс (1813-1885 гг.) провел далее обширное исследование, заслуженно считающееся классическим, связанное со взаимными переходами газа и жидкости. С его работ, собственно, начинается теория ожижения газов. Он показал, в частности, что чем ниже температура и дав* ление (т.е. чем дальше вещество от критической температуры), тем больше теплота конденсации. (и соответственно па・ рообразования). Интересно отметить, что Эндрюс, как и Менделеев, был химиком (а также и врачом - докторотл медицины). С 1849 г. он был членом Лондонского Королевского общества.
Было совершенно логично предположить, что и для перехода в твердое состояние тоже существуют соответству* ющие ограничения; они уже были известны применительно ко льду, воде и водяному пару, а затем подтвердились и на де оксиде углерода. Оказалось, что для каждого вещества сущест вует так называемая "температура тройной точкип, опреде* ляющая нижнюю границу области возможного существования жидкости; за ней неизбежно происходит переход в твердое состояние. С чем связано название "тройная точка” и как св# заны три состояния - твердое, жидкое и газообразное, можно видеть из диаграммы, показанной на рис. 2.7. На этой так называемой "фазовой диаграмме'3, нанесены линий
оделяющие области существования трех агрегатных состо- 白нИ兑(фаз) вещества - твердого, жидкого и газообразного. Эти закономерности носят общий характер; меняются только конкретные для каждого вещества численные значения дав- леНИй и температур. Проследим, как изменяется состояние вещестеа с понижением его температуры Т при разных давлениях Р・
Начнем с пара, имеющего давление ра; его начальное состояние соответствует температуре Т「Если его охлаждать, под- держивая давление ра постоянным, то при температуре Т2 0H начнет конденсироваться и "не сдвинется” с точки 2 до тех пор, пока не перейдет целиком в жидкость. При этом от него должна быть отведена соответствующая "скрытая” теплота конденсации (если бы процесс шел в обратном направлении, то необходимо было бы подводить равную ей теплоту испарения). Далее между точками 2 и 3 жидкость будет охлаждаться от 丁^ Д° 丁3・ В точке 3 произойдет затвердевание: вещество при постоянной температуре Т3 перейдет в твердое состояние;
при этом будет отведена теплота затвердевания (или при обратном ходе процесса - правления). Далее полученный лед можно охладить до любой нужной температуры, например до
Совершенно иначе будет проходить процесс охлаждения газа с давлением %р и с более высоким давлением (напри- мер, %). Он перейдет в жидкость при критической температуре % сразу, без отвода теплоты конденсации, которая равна в этих условиях нулю. Четкой границы между паром и жидкостью здесь нет. Например, пар, состояние которого соответ- 丁忘 ствует точке 6, перейдет в точке 7 в жидкость сразу, без отвода "скрытой” теплоты конденсации. Дальше, при Г < % жид- кость будет охлаждаться обычным порядком и затвердевает при температуре Т8 (точка S) с отводом соответствующей теп- Лоты затвердевания» Далее можно охлаждать полученный лед тем же порядком, как и при р < ркр.
Основываясь на понятии критической температуры, Эндрюс предложил разделить понятия "газы” и "пары”. Газами при
такой классификации называются вещества, находящие^ при температуре Т выше критической Ткр, т・е・ вправо от л^ нии, идущей вниз от точки 7. Газы, как бы ни повышать 取 давление, не переходят в жидкость (если их температура ^ снижается). Напротив, паром называется газ при Т < %; он 慚 жет переходить в жидкое состояние и без снижения темпа ратуры, только в результате сжатия. Такое терминологиче^. кое разделение не связано с каким-либо качественным отд1V чием во внутреннем строении газообразных веществ, но очещ удобно практически; поэтому оно сохраняется и теперь.
Рассмотрим в заключение третий случай охлаждения. Здесь при Рс 口ар (например, точка 9) в результате охлаждения пе. рейдет в точке 10 сразу в твердое состояние; образование жидкости здесь вообще исключено. Далее лед можно охла< ждать до любой нужной температуры, например до Ttt, Если, напротив, двигаться в обратном направлении, соответствующее нагреванию, от точки 11 направо, то при Т10 произойдет испарение льда (сублимация) тоже без образования жидкости. В обо их случаях j как при сублимации, так и при замораживании пара (десублимации) должно подводиться или соответственно отводиться тепло ("скрытая теплота55 сублимации или равная ей теплота десублимации). Классическим примера может служить "сухой лед” (твердый диоксид углерода СО2). П{)и давлении 0,1 МПа его температура сублимации составляет -79℃. Переходя в пар, он поглощает соответствующее количество тепла, охаждая, если нужно, какой-либо продукт, например мороженое.
Единственные температура и давление, при которых одновременно могут существовать у каждого вещества все три состояния (отсюда - тройная точка): пар, жидкость и твер дое тело (лед) - это 7Tp.1r и ртр т. Малейшее изменение темпер» туры или давления вызывает исчезновение одной из фаз. Если точка, отражающая норое состояние, лежит на одной * линий, разделяющих три области, то будут соответственно существовать две фазы (Т + 加,или Ж + И, или Г + Л)； при р и соответствующих всем остальным точкам, - только Т, Ж или Я
В то время, о котором идет речь, обе точки - и критически и тройная - были известны только для очень ограничений круга веществ (в частности, для СО2). Одаако каковы эти те" пературы для "постоянных” газов и каким термометрически*1 веществом, можно воспользоваться для построения темпер
°苛 шкалы в области ниже -110℃, было неясно. Очевидно D^o Что нужно искать новые, более эффективные методы ” пучения низких температур. Вместе с тем оставался откры- 肾м вопрос, как надежно их измерять.
речь шла не просто о достаточно трудном выборе термомет- ического вещества для столь низких температур. Вопрос сто- 爲 шире и выходил в то время за пределы низкотемператур- ной физики и техники. Нужна была некая "абсолютная” шкала, не зависящая от свойств того или иного термометричес- ког。вещества и простирающаяся до конца - тоже абсолютного нуля температур.
В существовании такого абсолютного нуля уже никто не сомневался, но точно определить, где он находится, без абсолютной шкалы было невозможно. Эти вопросы были неразрывно связаны.
Первый научный комментарий. Чтобы разобраться в том, как они были решены, совершенно необходимо сделать относительно небольшой экскурс в предысторию и историю термодинамики -науки об энергии и ее преобразованиях. Мы видели, что физики XVII и XVIII вв. потратили много сил, чтобы разделить понятия ^тепло^ и "температура” и научиться измерять каждую из них (соответственно в калориях и градусах). Отсюда и начинается, по-видимому, предыстория термодина- МИКИ1.
На долю ученых XIX в. выпала еще более трудная задача - не только уточнить физическое содержание этих понятий, но и полнее раскрыть связи между ними. Одна ниточка такой связи уже была в их распоряжении - это та, которую нашел еще Д. Блэк. Введя понятие теплоемкости вещества, он пока- зал, что повышение (или понижение) температуры Д/ тела свя- зано через его теплоемкость с с количеством подведенной (или соответственно отведенной) теплоты следующим образом:
Q^cm^t, ^ (2.1) г口е m 一 масса тела.
Вообще, установить, откуда началась какая-либо наука — задача очень ^УДная. Не зря Козьма Прутков уделил столько внимания вопросу: ^де начало 2 конца, которым заканчивается начало?**
Чем больше при данной массе тела теплоемость с, тем 6。％ ше нужно подвести или отвести теплоты Q, чтобы из% нить температуру на AL Д. Блэк также установил, что у разн& веществ теплоемкость неодинакова; поэтому одним и 响 же количеством теплоты можно получить разные изменении температур. Если же вещество плавит)ся, сублимируется илц испаряется, то, несмотря на подвод к нему теплоты, темп®, ратура вообще не изменяется. Теплота "скрывается”，не м& няя температуры тела; поэтому Блэк назвал и теплоту плавле. ния, и теплоту испарения "скрытой” теплотой. Значения эти： величин тоже были у разных веществ различными.
Это открытие было очень важно и практически полезно, но все же не давало возможности установить некую универсальную связь между теплотой и температурой, независящую от конкретного вещества. Если бы такая связь была установ* лена, то, измеряя соответствующие изменениям температуры количества теплоты (а это уже умели делать в конце ХУШв.), можно было бы построить единую у нив ер сал ьную шкалу темпе< ратур.
Инстинктивно ощущалось, что такая связь должна сущесъ вовать, но где и как ее искать?
Основу для решения этой задачи заложил великий фран> цузский ученый и инженер С. Карно в своем (опубликованном в 1824 г., когда ему было 27 лет) труде "Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту сил/. Далее работами Р. Клаузиуса и В. Томсона-Кельвина она была окончательно решена.
В нашу задачу не входит подробное ее рассмотрение, относящееся к области специальной науки - термодинамики. Для тех, кто этим заинтересуется, есть соответствующая, в том числе и популярная, литература [7, 9]. Здесь мы ограничим- ся лишь теми сведениями из термодинамики, которые понадо- бятся нам в дальнейшем, чтобы продолжить путь в область низких температур. При этом мы не будем строго придерживать1 ся исторической последовательности в ходе развития теорий а изложим нужные нам положения современным языком и' таком виде, чтобы ими можно было пользоваться в дальне" шем.
Первое, что нужно сделать для этого - уточнить ПОНЯТ， о теплоте. Когда ученые XVII и XVIII вв. говорили о тепл^' то под ней понималось нечто, содержащееся в теле. Внач^
эт0 был caloric - ^теплород^. Затем, после победы корпускуляр- ной теории теплоты, под ней понималась суммарная энергия хаотического теплового движения молекул; таким образом, и при этом теплота оставалась, так сказать, "внутри” тела. Отсюда ведут начало такие понятия, как "скрытая теплотаи, »теплосодержание,5 (оба сейчас исключены из употребле- ния'), а также ”теплоемкость”，^^тeплoпpoвoдаocть^^ и другие мм подобные, которые все же сохранились. Однако еще Клаузиус ввел понятие "внутренняя анергия”, которое все поставило на место. По Клаузиусу, теплота С, сообщаемая телу, идет на увеличение его внутренней энергии A U и если тело совершает еще и работу £, то и на ее проведение; при этом
Q = bU + L, (2.2)
что соответствует уже утвердившемуся в то время закону сохранения энергии. Таким образом, теплота Q показывает (так же как и работа L), сколько энергии мы сообщаем телу, если ее подводим (или сколько отбираем, если отводим). Следовательно, и теплота, и работа - это формы, в которых тело может обмениваться энергией с другими телами, т.е. энергия в процессе перехода.
Этот переход может происходить двояким путем. Если он идет в организованной, упорядоченной форме, то все молекулы тела - как отдающего энергию, так и принимающего ее, движутся согласованно в каждом из них, по определенным траекториям. Например, если энергия с помощью зубчатой передачи переходит от одаого вала к другому, то все молекулы каждой из шестерен движутся строго по соответствующим окружностям. При этом первая шестерня (ведущая) передает энергию второй (ведомой) в форме работы.
Передача энергии может проходить и посредством хаотичес- ког。, беспорядочного молекулярного движения. Если привести в соприкосновение два тела - одао горячее, с более высокой температурой Тр и другое, холодаое, с температурой Т2 V Т〃 то молекулы первого тела будут "раскаиивать” моле- кулы второго. В результате средаяя скорость более ,?горячих,5 молекул снизится, а "холодных” - возрастет; соответственно
Вместо ^скрытой теплоты** введены термины "теплота плавления** (или Испарения), вместо Теплосодержания** — ^энтальпия**.
9 g Схема машины, работающей по 爲 тному Му Карн。9 g Схема машины, работающей по 爲 тному Му Карн。
9 g Схема машины, работающей по 爲 тному Му Карн。
9 g Схема машины, работающей по 爲 тному Му Карн。
температура 7\ первого тела станет ниже, а температура Т2 в рого - возрастет. Это означает, что первое тело передало в то му некоторое количество энергии, но уже в форме тепло Следовательно, содержаться в теле может только внутренняя энергия U. И теплота, и работа только транспортируют энергии к телу или от него. Как только они перенесут энергию, ту^ же исчезают, переходя в соответствующее количество внутрен* ней энергии. Если соответствующего перехода нет, то нет нн работы 厶 ни теплоты Q.
Когда все это было установлено, вопрос о том, что такое теплота в принципе был снят.
Что касается температуры, то молекулярно-кинетическая теория тоже дала ей объяснение как меры средней кинетической энергии теплового движения молекул. Но это не реши* ло задачи об универсальной связи теплоты и температурь^ а лишь связало температуру с внутренней энергией. Как мы ви> дели, это не одно и то же. Кроме этого, оставался открытым вопрос о температурной шкале. Любое возможное термометрическое вещество не может охватить сколь-нибудь значитель* ный интервал температур, расширяясь равномерно на всем про тяжении. Поэтому сделать абсолютную шкалу температур на основе какого-либо термометрического вещества невозможно* Да и вообще, неправильно в принципе связывать температур* ную шкалу с каким-то конкретным веществом. Надо было "оторвать” ее от физических свойств веществ, сделать абсолют ной. Лопщнее, скорее, поступить наоборот, придумав вещество, которое расширяется точно по абсолютной шкале температур. Клаузиус так и поступил, предложив понятие так называемого ^идеального газа”.
Чтобы подойти к понятию абсолютной температуры, повторим рассуждения, которыми руководствовался Томсон-Кель- Ъин, но вместо идеальной тепловой машины Карно, которой он пользовался, применим идеальную холодильную машину1» Такой ход рассуждений ничего не меняет в принципе, но W нашей цели он удобнее.
Итак, представим холодильную машину Карно (т.е* идеаль- ную машину, пр еда азн аче иную для отвода теплоты от телй, имеющего температуру ” ниже температуры окружающей
срелыТ°.с> Г。，на Уровень 7。.) Сама энергия не может непосредственно в форме теплоты перейти от менее нагретого тела к более нагретому; холод, как ^ы знаем, ”сам” не получает- сЯ1, Поэтому в идеальной холодильной машине необходимо затратить для ее работы некоторую работу L. Эта работа будет минимально возможной для выполнения задачи (ведь машина идеальная).
Схема такой машины, работающей в соответствии с идеей Карно (по обратному, т.е. холодильному, циклу Карно), показана на рис. 28 Самый простой ее вариант - это цилиндр с поршнем, в котором рабочее тело (например, воздух) может сжиматься под действием поршня или расширяться, воздействуя на него. В первом случае работа затрачивается, во втором - производится. На рисунке показаны последовательно четыре положения поршня, соответствующие четырем процессам, составляющим цикл. Положение 1 повторено дважды, чтобы наглядаее показять, как замыкается цикл, возвращаясь к исходной точке.
В процессе 1-2 газ, находящийся при температуре окружа-
ащей среды ”.с，сжимается за счет затраты работы Lt_r При зтом от цилиндра отводится в окружающую среду теплота
в таком количестве, чтобы температура рабочего тела не
возрастала (такой процесс при постоянной температуре называ- ется изотермическим). Здесь пара цилиндр-поршень работает как компрессор.
ЭтоЭто* охла；* охла；
Это
Это
* охла；
* охла；
]Идею идеальной холодильной машины тоже впитые высказал С. К&рио【偏 50
утверждение остается в сила н тогда, когда используются испарение
^енне смешением. Дальше мы это покажем.
После того как поршень придет в положение 2, проводит^ процесс расширения 2-5, в котором поршень производит (。丁融 ет) работу Ь2_3. Этот процесс проводится без подвода или отво, да теплоты (стенки цилиндра в это время теплоизолированы) Здесь пара цилиндр-поршень работает как двигатель. Поскок ку энергия от газа в форме работы отводится, а теплота не 口小 ступает, его внутренняя энергия U в соответствии с (2.2) ум2Hbi шается, и он охлаждается до Т3 < Т0>с. Полученный холода^ газ в последующем процессе 3-4 продолжает расширять^ производя работу £3—, Но, в отличие от условий процесса 2-3, к нему подводится теплота Q?— и в таком количестве) чтобы он дальше не охлаждался, а оставался при той же темпе, ратуре 厶・ Таким образом, процесс 3-4 тоже изотермический« представляет как бы зеркальное отражение процесса тал работа подводится, но отводится теплота, а здесь наоборот - работа отводится, а теплота подводится. Но в обоих слуиащ отвод и подвод энергии сбалансированы так, что температура не повышается и не понижается.
Наконец, последний, замыкающий процесс 4-1 состоит в тоц что поршень снова сжимает газ и возвращается в положение 1. На это затрачивается работа L4i_p причем цилиндр теплоизолируется -теплота не подводится и не отводится. Температура рабочего тела возрастает до тех пор, пока не вернется к исходной, которая была в положении 1・ Процесс 4-1 тоже "зеркально” аналогичен процессу 2-3. Оба они протекают в условиях тепловой изоляции цилиндра, но в противоположны направлениях* Такие процессы, при которых теплота не подводится и не отводится, называются адиабатными.
Подытожим теперь результаты, которые получились при про ведении цикла 1-2-3-4. Прежде всего нужно отметить, что рабочее тело, пройдя все изменения температуры, давления и объема, вернулось в конце цикла в прежнее положение 1: "каким ты был, таким ты и остался". Следовательно, поскольку гвз сделал свое дело и снова принял исходное состояние, его мо* но исключить из рассмотрения; его энергия вернулась к прежнему значению. Результаты работы цикла, оставшиеся без изменения, надо искать вне цилиндра.
Что получилось в итоге здесь?
Начнем с работы. Она была затрачена на сжатие газа в ^ цессах 2-2 и 4-1; возвращена частично в процессах 2-3 ' 3-4. Следовательно, общая затрата работы L на проведение^
кла составит
(2.3)(2.3)丄 Н L.2 + 丄47 — (J-3 + 丄3-4 )・
(2.3)
(2.3)
Сумма первых двух членов правой части (23) больше, чем двух вторых1, это означает, что проведение цикла в итоге тре- бует затраты работы, рзвной 丄・
qTO касается теплоты4, то итог работы цикла сводится к то- ^5 4To теплота С3_4 подводится к рабочему телу на темпе- ратурном уровне Т3 = Т4 и отводится (Q—) на более высоком уровне 7\ = Т2в Если заставить цикл работать в условиях, когда температуры Т3 = 7\ будут находиться на уровне температуры окружающей среды Т。© то машина, работающая по обратному цИКЛу Карно, окажется именно тем устройством, о котором мечтал еще Фа Бэкон. Она может отобрать теплоту на темпе
ратурном уровне Тз = % который ниже, чем уровень Го, и отдать его на уровне температуры окружающей среды, т.е. Сдавать нам холод35, не используя никаких внешних охлаждающих средств. Но это не дается даром, а требует определенной затраты работы, которая не может быть меньше £, нужной для машины, в которой осуществляется идеальный цикл - обратный цикл Карно.
Таким образом, была найдена идеальная модель устройства, позволяющего в принципе отвести теплоту с любого уровня температур, лежащего ниже температуры окружающей среды. Каждая холодильная или криогенная установка, какого бы типа она ни была и какими бы особенностями ни отличалась, в конечном счете работает на тех же принципах, на которых основан этот цикл. Первые изобретатели холодильных и криогенных машин "нащупали" эти принципы на базе опыта, методом "проб и ошибок"; в дальнейшем, с последней четверти XIX в., эти принципы, как мы увидим, использовались уже сознательно.
Зто объясняется тем, что изотермическое расширение протекает при бо- "ее низкой температуре, чем изотермическое сжатие, а процесс адиабатного Расширения - при меньших удельных объемах, чем адиабатное сжатие.
* Эта теплота, отводимая от объекта, который поддерживается при низкой ^тер&туре, обычно обозначается как Q。, а его температура — TQ.
заданной температуре То с. Болеезаданной температуре То с. Более
заданной температуре То с. Более
заданной температуре То с. Более
Рис. 2.9. График, показываю^ связь величин Q。，£ и。。工 Ри^ ньп температурах ”
Цикл Карно не только 电 ет идеальную модель холо дильного процесса; он позво ляет и количественно опредв лить, сколько работы нужн^ затратить, чтобы отвеет»! теплоту Со на низком темпе ратурном уровне То < пр» того, он позволяет, как пока
зал Томсон-Кельвин, и установить абсолютную температурную шкалу.
Графическое построение, позволяющее наглядно проиллюа
рировать все связанные с этими вопросами количественные соотношения, показано на рис. 2.9.
Проведем на графике две горизонтальные линии: одщ верхнюю - на уровне температуры окружающей среды Т0>с, и дру гую, нижнюю - на уровне То охлаждаемого объекта. Тогда hi последаей горизонтали можно отложить отрезок, равны! количеству теплоты Qo. Если теперь провести через начало ко ординат и точку b прямую (луч), то она отсечет на линии Т& отрезок cd・ Он в том же масштабе покажет количестве тепло ты С0>с, которое в результате действия цикла будет отдано £ окружающую среду. Отрезок md на этой прямой будет соответ ствовать затраченной в цикле работе L, поскольку по закон] сохранения энергии
Qc.c = Q。+ 丄・
Мз этого же построения следует (поскольку треуголыпоси Ocd и ОаЬ подобны), что
Q&C /『он н Q о / " или Qc.c / Q。0 П・с / Т()・(2・5)
Зто важнейшее следствие анализа цикла Карно позволяет, как показал Кельвин, подойти к определению абсолютной шкаль! температур. Действительно, отношение двух количеств теплоты (которое можно вычислить по свойствам рабочего тела, найденным экспериментально) равно отношению иХ температур по абсолютной шкале, которая не связана со свойствами какого-либо термометрического вещества. Нужно только присвоить какому-либо одному значению температуры численное значение в градусах, а другое, соответствующее самой низшей возможной точке - абсолютному нулю, принять за нуль. Такая шкала была официально установлена только через сто с лишним лет после выхода статьи Томсона- Кельвина (1849 г.). Это произошло в 1954 г. на IX Генеральной международной конференции по мерам и весам. В качестве опорной точки шкалы была принята температура тройной точки воды; здесь одновременно могут существовать лед, пар и жидкая вода. Ей присвоено значение 273,16 К. Начальная точка-0 К соответствует абсолютному нулю.
Чтобы пересчитать градусы шкалы Цельсия в градусы шкалы Кельвина, надо прибавить к ним 273,15 (К = ℃ + 273,15).
График, показанный на рис. 2.9, обладает еще одним замечательным свойством: он наглядно показывает, чем определяется и как растет необходимая затрата работы 丄 по мере понижения температуры То. Из него видно, что из подобия треугольников mdb и аЬО следует:
丄=Q° .(2・6)
Зта формула была названа именем Карно.
Если мы должны произвести то же количество холода Qo, но не при температуре То, а при другой, более низкой, например прн То < T0J и все остальные условия остаются прежними, то
Вуква К означает 'Кельвин”. Размер градуса шкалы Кельвина практичес- 必 совпадает с градусами Цельсия.
можно воспользоваться не только (2.6), но и найти затрату р& боты графически. Проведем на графике новую изотерму Т，冃 отложим на ней то же количество теплоты Qo. Получим точку У расположенную под точкой h Если теперь повторить то же па строение, что и для "» проведя из начала координат луч через точку Н то на линии ”工 получим больший отрезок md； соответ*, ствующий необходимой затрате работы X Видно, что чем ниже Т。，тем больше нужно затратить работы на отвод теплоты Qo； тем холод энергетически дороже. Очевидно, что при дальне^ шем понижении То работа 丄 будет возрастать все быстрее, а по мере приближения к абсолютному нулю (Т = 0) L
Если перевести эту зависимость на язык цифр и принять Qo = 1 Дж и " с = 293 К (~20℃), то значение 丄 в зависимости от Т。будет выглядеть так, как показано в табл. 2.1.
Из таблицы 2.1 видно, что вплоть до температуры То = 146,5 К необходимая затрата работы 丄 не превышает количества получаемого холода Q°. Другими словами, получение такого холода не требует очень больших энергетических затрат. Но дальше, чем ниже То, тем необходимая затрата работы растет все быстрее: на уровне температуры, равной, например, 50 К, она уже превышает количество получаемого холода более чем в 4 раза. При температуре ниже 25 К это соотношение доходит до десятков, а при еще более низкой температуре - до сотен и тысяч... Из табл. 2.1 видно, что уровень энергетических затрат на получение холода, при котором Фарадей ожижал ^непосто- янные” газы, "стоил" в единицах работы намного меньше, чем тот, с которым встретились его продолжатели, готовящиеся ожижить "постоянные” газы. Следует также учесть^ что цифры в таблице относятся только к идеальным процессам; в реальных условиях получение холода связано с различными потерями, которые тем больше, чем ниже температура. Они учитываются КПД соответствующих охлаждающих устройств. Значение этих КПД % меняется в пределах от 0э4 для крупных установок до 051 и ниже - для малых. Поэтому реальный расход работы 丄р оказывается намного выше, чем в идеальном случае：
Ер = 'ид，Пе •
Таблица 2.1. ЗависимостьЬот То
Ь, Дж
"，К
Ь,Дж
"，К
Ь, Дж
293
0,0
146,5
1,00
25
10,7
273
0,07
100
1,93
20
13,7
250
0,17
70
3,18
10
28,3
200 '
0,47
50
4,86
5
57,6
163*
0,79
40
6,32
4,2
65
150
0,95
30
8,77
1,0
0,1
292
2929
• Это значение
Фдрадеем (—110℃).
соответствует самой низкой
температуре.
использованной
Работами С. Карно, В. Кельвина и Р. Клаузиуса было установлено, что абсолютный нуль температур находится по шкале Цельсия на уровне —273,15℃. Это позволило создать абсолютную шкалу температур (шкалу Кельвина), градусы (Г) которой те же, что и в шкале Цельсия (t), но их отсчет начинается с абсолютного нуля. Следовательно, температура в ℃ равна температуре в К* минус 273,15.
М. Фарадей достиг -110℃, т.е. 163 К; на пути к абсолютному нулю осталось пройти "всего” 163 градуса. Из табл. 2.1 можно видеть, насколько труднее с каждым шагом двигаться вниз. Поэтому чем ниже температура, тем чаще приходится вспоми- нать изречение Ф. Бэкона: 5,Природа с трудом дает нам холод5*. Однако получать его все же удавалось, вырывая с колоссаль- ннм трудом каждый участок на "пути к абсолютному холоду55. Ведь тот же Бэкон сказал и другую, тоже вошедшую в историю, но намного более знаменитую фразу: "Знание - сила” (Knowledge is Power).
^тобы покорить и ожижить хотя бы один из "постоянных” 「азов, нужно было найти какой-то новый метод понижения температуры, позволяющий оторваться от фар аде евского рубе- Жа хотя бы еще на несколько десятков градусов вниз.
Обозначение ° в шкале Кельвина не используется; после цифры пишется только буква К.
НОВЫЕ СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
В годы, последовавшие за работами Фарадея, поиски 丁叫 новых способов охлаждения приобрели особую интен* ность; в конце концов, к середине XIX в. они были не толц. найдены, но и в значительной степени изучены. Однако приц йены они были впервые в холодильных установках, предн^ наченных для получения искусственного льда (см. гл. 3).
Самое любопытное, что нужно отметить в связи с эти^ поисками, что люди, стремившиеся ожижить ^постоянны®» газы, искали вначале новые пути совсем не там, где они мог ли быть в действительности. На самом деле такие способы о】 лаждения (и не один, а два) уже давно были в принципе 竭 вестны, но никто в это время не догадался развить их и испот зовать для ожижения газов. Только начиная с 70-х годов XIX в новые подходы и способы охлаждения стали более или менее сознательно применяться для ожижения газов.
Первый из этих способов охлаждения был известен oqem давно. Многими наблюдениями было установлено, что гф сжатии воздуха его температура повышается. При быстром 卩 сильном сжатии это нагревание настолько интенсивно, чк даже может привести к воспламенению горючего материала Известно было даже ^пневматическое огниво" - устройство в котором кусок трута .зажигают в узкой пробирке вдвиганием в нее поршня, сжимающего воздух.
Поздаее было замечено и противоположное явление - oi лаждение воздуха при быстром расширении. Впервые в науч ной литературе об этом явлении написал Э. Дарвин (1731* 1802 гг.) - крупный исследователь-биолог, врач и поэт, дел Ч. Дарвин». Он, подобно другим выдающимся деятелям того времени,успешно работал во многих областях, в том числе ив области физики. В 1788 г. Э. Дарвин опубликовал работу ^Эко перименты по охлаждению воздуха при его расширении”，в которой не только констатировал это явление, но и произ- вел измерения, позволившие зафиксировать существенное понижение температуры. Швейцарский физик и филосМ М. Пикте, о котором уже упоминалось в связи с млучами хоЛ° да”, показал (в 1799 г.), что охлаждение, достигаемое этим ело собом, может быть весьма велико: он наблюдал замерзай^ капель воды на наружной поверхности трубки, из котор0*1 вытекал сжатый воздух. Однако теоретического объяснен^ этого процесса еще не было.
Явление охлаждения газа при его расширении было по- 时0 правильно значительно позже, к началу 50-х годов XIX в., когДа утеердился закон сохранения энергии: расширяясь, газ производит некоторую работу за счет уменьшения своей внутренней энергии; соответственно понижается и его температур ра. При сжатии, напротив, работа затрачивается на увеличе- нИе внутренней энергии; вместе с ней растет и температура. Это видно и из (2.2), поскольку в адиабатных условиях Q равно нулю. Если же некоторое количество теплоты будет при расширении поступать извне (как, например, от капель замерзающей воды, что было в опытах М. Пикте), то уменьшение внутренней энергии и соответственно понижение температуры будет не столь значительно.
Исследований, проведенные Гей-Люссаком, Пуассоном и другими, показали, что снижение температуры при адиабатном расширении довольно существенно. Так, для воздуха при начальной температуре +20℃ (293 К) значения падения температуры ДГ составляют (при конечном давлении р2 = « 0,1 МПа) в зависимости от начального давления рх:
ррМПа 0,51 з6
АТ, к 105142 ・ 188 212
Естественно, если начальная температура 厶 будет ниже, чем 293 К, то и конечная Г2 тоже снизится.
Итак, первый из новых способов охлаждения — расширение газа с отдачей внешней работы, теоретически ябыл готов к употреблению”. Но это, увы, составляло только первую полови- НУ дала: ведь идей и решений, необходимых для его инженер- ной реализации, еще не было. Дальше мы увидим, что “вто рая половина дела" оказалась не менее, а скорее, даже более трудной, чем первая1. Создать первую эффективно действую- Wk) машину, в которой производилось бы такое расширение :严 низких температурах (детандер, от французского слова detendre - расширять), удалось лишь через несколько десятилетий,
второй способ тоже основывался на расширении газа (или Жидкости), но другим путем - без производства внешней ра-
98%，，Н'зРом Т・ Эдисон говорил, что ” идея - это 2% труда, а 8 реализация -
боты. Такое расширение - дросселирование (от немецкого сд& ва drossein - душйть, сдавливать) вопреки названию не g держит ничего страшного. Речь идет просто о продавливании текущего вещества через канал с большим гидравлически^ сопротивлением - узкий проход в вентиле, пористое тело или трубку с малым сечением - капилляр. Давление вещества прл этом, естественно, снижается, но энергия, в отличие от первого способа, никуда не отводится и остается неизменной. Тем не менее дросселирование может использоваться как эффектив. ное средство охлаждения.
Впервые такое охлаждение наблюдал Тилорье (об опытах которого упоминалось ранее), когда выпускал в атмосферу через вентиль жидкий диоксид углерода. Дросселируясь в зтом вентиле с высокого давления до атмосферного, жид. кость охлаждалась, переходя частично в твердое состояние, Однако из этого факта не было сделано какого-либо обобщаю， щего вывода, хотя он почти сразу же был использован для получения "сухого льда". Только в 1852 г. дросселирование было специально изучено Джоулем и Томсоном. Это было
УР^гУР^гсделано с основательностью, присущей Джоулю (температура, напри- мер, измерялась с' точностью до 0,003℃!).
УР^г
УР^г
Они провели две серии опытов； для нас представляет интерес вторая. Схема прибора для ее проведения по показана на рии2.10. Он представлял со бой трубку с дроссельной пористой гцю& кой из ваты, через которую прокачивался исследуемый газ. Рабочая qaE трубки помещалась в изолированный
Рис. 2.10. Схема установки, созданной ЦжоГ пем для исследования свойств газов:
I — пористая дроссельная пробка; 2 — т®11' ловая изоляция; 3 - датчики измерения температуры
терм℃тат・ Измерялись температуры и давления газа до проб- кй и после нее. Начальное давление было рх = 0,45 МПа. Темпе- тура на входе Т\ изменялась от 4 до 100℃. Результаты опы- ^а оказались парадоксальными: как воздух, так и отдельно кислород и азот, из которых он состоит, при дросселировании охлаждались. Соответствующие значения были хотя и не очеяь большими, но достаточно существенными (примерно 2,5℃/МПа).
'В дальнейшем зависимости АТ при дросселировании были уточнены; оказалось, что при низких температурах охлажде- нйе возрастает. Однако при пропускании через дроссельную пробку водорода Джоуль и Томсон установили, что он не охлаждается, а напротив, заметно нагревается!
папаВсе эти явления изменения температуры при дросселиро- вании, впоследствии названные эффектом Джоу ля-Томсона1, не укладывались в закон Джоуля, гласящий, что внутренняя* энергия газа зависит только от температуры и не зависит от давления. Ведь при дросселировании внутренняя энергия не может измениться - условия адиабатные, никакой работы га-
па
па
зом не совершается. Энергия не изменяется, а температура дает (или, что также непонятно, - растет). В чем же дело?
Эффект Джоуля-Томсона объясняется тем, что внутренняя энергия газа определяется не только Хаотическим тепло-
знм движением молекул. В реальном газе существуют и межмолекулярные силы взаимодействия, где присутствуют и при* тяжение, и отталкивание; соотношение между ними определяется как природой газа, так и температурой и давлением. О силах притяжения писал Д. И. Менделеев, когда объяснял "точку абсолютного кипения" жидкостей. При дросселировании поэтому производится внутренняя работа, затрачивав* мая на раздвижение молекул вопреки силам их взаимного притяжения. В результате часть энергии теплового движения молекул переходит в п отенциальную энергию их взаимодействия. Соответственно температура газа понижается, хотя об- ^я его энергия не изменяется. Происходит лишь ее перераспределение -убыль кинетической и рост потенциальной.
Нельзя не отметить здесь, что именем Томсона (лорда Кельвина) называют 皿*€ не один, а несколько эффектов: Джоуль немного отстал от него, но все же Честны： закон Джоуля-Ленца, цикл Джоуля... А единица энергии - джоуль “ Кельвина!
По существу, с аналогичным принципом перераспредели ния энергии связаны и два древнейших способа охлаждения、 испарение и использование охлаждающих смесей.
В первом случае, при испарении, от воды (или другой жид. кости, например эфира) отбирается энергия, идущая на g3t движку молекул ("разрыв сил их сцеплениям, по терминола гии Д・ И. Менделеева), равная теплоте парообразования. 3q энергия уносится с образовавшимся паром, а жидкость соответ ственно охлаждается.
В。втором случае аналогичная ситуация складывается прц плавлении льда 一 от него в полученную воду отбирается знер гия, равная теплоте плавления. Вода при этом не отводится. Возникает вопрос — почему температура опускается значитель. н。ниже нуля? Здесь "вся соль” во второй части охлаждающей смеси — соли, которая, растворяясь в образующейся воХе, ng вращает ее в рассол, остающийся жидким и при более низкой температуре. Поэтому лед продолжает плавиться, несмот на понижение температуры, отводя тепло от охлаждаемого объекта и передавая его рассолу.
Именно этим объясняется то, что заметил еще Р. Бойль * ^пригодны для охлаждающих смесей соли, хорошо растворимые в воде,5.
Остается объяснить странное поведение водорода при дроо селировании — он нагревается, а не охлаждается. Это тоже бы* ло понято значительно позже. Выяснилось, что здесь действу- ют те же законы реального газа, что и для воздуха, кислороде и азота. Разница лишь в том, что у водорода при темпера呼 pax, с которыми работали Джоуль и Томсон, силы отталкива* ния, связанные со взаимодействием молекул во время их сближений при тепловом движении, играют относительно большую роль, чем силы притяжения. Поэтому перераспределение энергии происходит наоборот: потенциальная энергия взаимо» действия молекул при расширении падает, а кинетическая - растет. Соответственно повышается и температура.
В дальнейшем было установлено, что при более низкой тем- аТуре водород тоже ведет себя "как и все” - при дроссели- ^ании охлаждается. Но для этого нужно, чтобы его темпера- Р° а не превышала 264 К. Оказалось, что в принципе все газы 灯^арн ведут себя по отношению к дроссель-эффекту так же, :ак и водород, - при высоких температурах в процессе дроссе* дорОвания нагреваются, а при низких - охлаждаются. Гранйч- яая температура получила название инверсионной1.
Нл*е даны (полученные уже значительно позже) значения температур инверсии для разных газов:
к
Дзот 604
Воздух・・・・••650
Кислород 771
Метан 953
Оксид углерода •.・・・••. 644
Водород 264
Каждый из перечисленных газов при температуре ниже инверсионной может быть охлажден путем дросселирования; при достаточно больших начальных давлениях это охлаждение может быть весьма существенным и составлять десятки градусов. Особенно эффективно дросселирование в том случае, когда через дроссель пропускается жидкость и в нем происходит испарение или сублимация. В этом случае внутренняя работа против сил притяжения молекул существенно больше. Именно таким путем Тилорье получил "сухой лед^ и пар из жидкого диоксида углерода.
Для всех перечисленных газов температура инверсии намного выше температуры окружающей среды. Поэтому дроо селирование как способ охлаждения применимо для них в пюбом низкотемпературном интервале. Только водород дол- жен быть предварительно охлажден ниже 160 К, чтобы можно- 6нл° использовать его дросселирование для охлаждения.
В результате исследований свойств газов, проведенных к началу 70-х годов XIX в., были заложены основы двух новых ^особов охлаждения; ограничения, которые не позволили аРадею ожижить "постоянные" газы в принципе были сняты. 0 ЭТо - только в принципе. Дальше мы увидим, какой трудный
°т латинского слова inversio — поворот.
путь нужно было пройти, чтобы не только совершить на пр^ тике прорыв в область более низких температур (криотемпе^ тур), но и получить первые ожиженные ^^пocтoянныe,, газы.
ПЕРВЫЙ ПРОРЫВ В ОБЛАСТЬ КРИОТЕМПЕРАТУР.
”ТУМАННОЕ” ОЖИЖЕНИЕ КИСЛОРОДА И АЗОТА
Многие заседания Французской академии наук были 囘 заны со знаменательными событиями в истории науки и 夠 ники. Значение некоторых из них было принято академика^ не сразу*; напротив, многие другие, наделавшие много шуц были впоследствии забыты. Однако заседание 24 декаб|ц 1877 г. с полным правом можно отнести к историческим,也 смотря на то, что сообщение, сделанное весьма торжественщ секретарем Академии М. Дюма, подтвердилось в дальне! тем лишь частично. М. Дюма начал свое выступление проро ческой цитатой А. Лавуазье о возможности перехода при до статочно низкой температуре всех газов в жидкое состоявд После этого он зачитал два сообщения. Первым из них ® ло письмо гбрного инженера из Шатильона на Сене Л. Кайек о том, что 2 декабря ему удалось ожижить один из постоянны газов — кислород. Вслед за этим была оглашена телеграмм из Швейцарии от женевского физика Рауля Пикте, датирс ванная 22 декабря: иСегодня получен жидкий кислород пр давлении 320 атм и температуре -140℃, достигнутой пр использовании диоксида серы и диоксида углерода*5.
Практически оба сенсационных результата были достигну ты одновременно, особенно если учесть, что каждый из них ло требовал длительной подготовки. Тем не менее вопрос о прио
* Таким событием было, например, заседание 1824 г., на котором акад^ Жирар доложил о работе С. Карно Размышления о движущей силе огня", ® ход которой был одним из самых важных событий в истории науки XIX в. 0脚 академики ее не поняли и не оценили.
иТете здесь, как и в других аналогичных случаях, не снимайся, По правилам Французской академии наук датой для установления приоритета служит зафиксированный день, ког- да было отправлено письменное сообщение в Академию. 几 Кайете закончил свою работу раньше, чем Пикте; 2 декабря оН направил письмо с описанием своих результатов в Париж Сен-Клер Девиллю, который, получив его 3 декабря, тут же доставил письмо секретарю Академии, который официаль- н0 зафиксировал эту дату. Задержка с оглашением письма Кайете связана с обстоятельством, которое характеризует его автора с самой лучшей стороны. Он был одним из кандидатов на выборах в члены-корреспонденты Академии, которые были назначены на 17 декабря, и не хотел, чтобы на результат выборов повлияло сообщение о новом научном достижении; более этичным, по его мнению, было участвовать в них 5,на равных”.
Достижения и Кайете, и Пикте заслуживают высокой оценки. Характерно, что способы, которыми они пришли к одинаковому результату, были совершенно различными, но в каждом были ростки новых будущих направлений низкотемпературной техники. Поэтому нужно специально остановиться на работе каждого из них.
Начнем с Кайете. Несколько слов о нем самом и его предшествующих работах.
Луи-Поль Кайете (1832-1913 гг.) — французский инженер-металлург* После окончания Горного института работал на чугунолитейном заводе, принадлежавшем его отцу. Автор ряда исследований, относящихся главным образом к металлургичес- коЛ теплотехнике, в частности к утилизации горячих дымовых газов； с середины 70-х годов основные работы связаны со свойствами ожиженных газов и методами их получения. С 1877 г.- член-корреспондент, а с 1884 г. - действительный член фран- иузской академии наук.
м Св°и исследования Кайете начинал с задачи, имеющей весь- а отдаленное отношение к низким температурам, - с изуче- ：；；課°"0TB ацетилена(5 На - горючего газа, открытого Дэви на 47® г" Поскольку критическая температура ацетилена рав- 1blM " его> как выяснилось в то время, можно ожижить прос- Он давлением. Этим Кайете и занимался. Прибор, которым Тзд^^ПЬЗовался> практически ничем не отличался от того, ко-
Р^работал Эндрюс для своих знаменитых опытов с СО2.
Он представлял собой толстостенную стеклянную тр в верхней части которой находился исследуемый газ, с*» мый поч)едстаом столбика ртути, вдавливаемого водой, i чиваемый специальным насосом* Все шло как надо, одн^ во время одного из опытов произошел неприятный слух* один из таких, кото^е, к сожалению, почти всегда сопутс^ ют экспериментальным работам. Еще до того, как 口авл^ достигло необходимого для ожижения значения, проиэо^| срыв запорного крана воды. Часть ее под давлением ежа® ацетилена и ртути выплеснулась наружу; естественно, что 唸 步 ем, занимаемый газом, сразу резко увеличился* Л. Кайете * метил, что в трубке появился туман. Понимая, что газ в тщ ке несколько охладился при расширении, он решил, что *« денсировались водные пары или другие примеси, содержаще ся в ацетилене. При этом для исследователя были две 輙 можности. Первая 一 удовлетвориться этим вполне убедитеии ным объяснением, починить кран и работать дальше в том % направлении 一 давить ацетилен и смотреть, как он ожижается Так поступил бы всякий рядовой ученый 一 "середняк”.琉 рая - копнуть глубже и разобраться до конца в том, что про» ходит. Л. Кайете выбрал вторую и именно этим заслужил и что о нем нельзя не вспомнить через сто с лишним 揃 Он получил в лаборатории Вертело тщательно очищений и осушенный i ацетилен и уже специально повторил мдефов ннй” опыт. И туман появился снова! Сомнений не было: охдш дение газа в трубке было настолько значительным, что ацети лен ожижался при низком давлении. И это происходило с ою малой массой газа в тонкой трубке с массивными теплым стенками!
Именно с этого опыта началась работа Кайете, четко напр# ленная на ожижение "постоянных” газов. Он понял, что 琳 полагает методом, позволяющим произвести очень значит^ ное охлаждение газа в результате его расширения с от^М внешней работы. Ведь стеклянная трубка с ртутным поршнем это по существу детандер, принцип которого описан в § 2・3・ W этом газу, производящему работу^ совершенно безразлМ куда эта работа идет 一 используется она или беетоле* тратится на выбрасывание и. разбрызгивание воды, выта^ ваемой из крана! С этого момента с ацетиленом было поко^ но. Интерес к опытам с ним был потерян. Это было хорошо “ только потому, что далр исторические научные результат
66
то, что изменение объекта исследования уберег- “ Кайете от большой опасности: как сжатый, так и ожижен- л°й ацетИлен представляет собой очень взрывоопасное веще- н о Тройная связь в его молекуле (СН= СН) непрочна и легко с 'шаеТся от любого, даже очень слабого импульса; взрывы н етилена многократно приводили к человеческим жертвам. Поэтому обращение с ацетиленом требует соблюдения специ- альннх правил техники безопасности, которые во время Кай- ете еще не существовали.
В то время, когда Кайете начал свои опыты, уже были полу- чеНЫ патенты на настоящие, непрерывно действующие воздуш- н&е расширительные машины 一 детандеры и даже делались первые попытки их изготовления для холодильных устано- в0Кхе Но Кайете, по-видимому9 ничего об этом не знал. Он натолкнулся на детандер, если можно так выразиться, "ещно кратного дeйcтвия^,, и надо отдать ему должное, выжал из не- г0 все, что было возможно. Установка Кайете показана на рис. 2.11. Ее устройство было в принципе несложным. Правая часть представляла собой гидравлический насос высокого давления с манометром, деления которого позволяли измерять давление до 30 МПа. Через трубку TU вода подавалась в экспериментальную установку и вдавливала находящуюся там ртуть в трубку с исследуемым газом. Эта трубка была окружена холодной жидкостью Т, служащей для предварительного охлаждения газа п^ред 二 расширением. Открывая кранU, можно было резко сбросить давление (от 30 до 0,1 МПа); газ быстро расширялся, и происходило его охлаждение»
Вот что писал Кайете своему Другу и покровителю Сен-Клер Девиллю 2 декабря 1877 г.: ^Не теряя ни минуты, спешу уведомить Вас первого, что сегодня я ожижил оксид углерода и кислород. Может быть, я и ошибаюсь, говоря ^ожижил0, по- тому что при температуре -29℃, полученной посредством ис- парения сернистой кислоты, и под давлением в 200 атм я не видел жидкости, но образовавшаяся в этих условиях пыль бы- ла столь плотной, что я мог вывести заключение о наличии пара, близкого к точке ожижения,\
Зти опыты были затем с громадным успехом воспроизвел "енн в Париже, перед аудиторией ученых. Они также 6世也
Подробно об этом рассказано в гл. 3・
Рис. 2.11. Общий вид установки Кайете для ожижения газов:
1 一 насос высокого давления; 2 - ожижительный аппарат
повторена и для разных газов, которые до сего времени не бы ли ожижены: метан, азот, воздух вели себя столь же послуш но, как и кислород, образуя ясно видимый туман из мелких ка пель. Даже опыт с водородом, вновь проделанный в присута вии специальной комиссии Академии, состоявшей из Вертело Сен-Клер Девилля и Маскара, при 30 МПа и -28℃ обнаружь "не оставляющие сомнения" признаки ожижения в виде ”чр段 вычайно тонкого и нежного" тумана, который заполнил тр№ ку и мгновенно исчез.
Рассматривая на основе современных данных по свойств^ газов достоверность результатов, полученных Кайете, мо*н‘ уверенно заключить, что ему действительно удалось 口说
чить в виде тумана жидкий воздух, кислород и метан. Если 加 же подсчитать с большим запасом (взять начальное давлениг не 30, а 20 МПа и конечное - не 0,1, а 0,2 МПа), то полу" при начальной температуре -28℃ (245 К) для кислорода。咄: неплохие результаты. Конечная температура будет 97^: (-175,8℃) и доля жидкости 22% для идеального случая и 6%
если принять КПД расширения 0,7. Для метана, у которого выше критическая температура, доля жидкости еще больше. У азо та дело обстоит несколько хуже. Идеальное расширение в заданных условиях даст конечную температуру 84 К (-189℃) и долю жидкости 18%. Однако при КПД расширения 0,7 жидко- 陋 уже не получится. Здесь где-то лежит предел возможностей опыта.
Что касается ожижения водорода, то расчет однозначно показывает, что в опытах Кайете он не мог быть ожижен ни при ка・ ких обстоятельствах; даже в идеальном случае на его аппара- те нельзя получить в конце расширения температуру ниже 76 К (-197℃). До критической температуры водорода (33,2 К) отсюда еще очень далеко!
В конечном итоге, несмотря на неудачу с водородом, заслуга Кайете огромна. Он первым перешел черту -110, -120℃, у которой долго топтались другие исследователи, и проник глубоко в область криотемператур еще по крайней мере на 60-70°. Недаром 1877 г. считается годом рождения криогенной техники!
Однако Кайете, по справедливости, должен делить эту славу с другим исследователем - Раулем Пикте, который совершил тот же подвиг и в то же время, но подошел к нему совсем другим путем.
Рауль Пьер Пикте (1846-1929 гг.) -швейцарский физик, родился в Женеве, там же кончил университет. В 1868-1870 гг. продолжил учение в Париже. С 1879 г. 一 профессор Женевского университета. В отличие от Кайете-инженера, он был по образованию физиком. В то время, когда Пикте начал работу по ожижению газов (ему было всего 30 лет), у него не было существенного опыта ни в исследовательской, ни в инженерной деятель- н℃ти. Тем не менее установка, созданная им для ожижения газов, была не только намного сложнее, чем у Кайете, но и содержала новые технические решения. Схема ее показана на Рмс. 2Л2. Верхняя ее часть представляет собой не что иное, как металлическую трубку Фарадея, рассчитанную на давление в несколько десятков мегапаскалей* В стальном сосуде L со- Держатся вещества, необходимые для получения ожижаемого газа посредством их нагрева. С ним соединена длинная сталь- ная ^Уба М длиной 4 м и внутренним диаметром 4 мм. Эта ^Уба играет роль холодного колена трубки Фарадея, но в от- Личие °т нее снабжена на конце вентилем R, позволяклцим вы-
пускать ожиженный газ наружу. Однако охлаждение холодной части сделано совсем иначе, чем у Фарадея. Здесь Пикте не только использовал опыт, накопившийся к этому времени у теоретиков и конструкторов холодильных машин1, но 乳 продвинулся дальше. Он создал и использовал двухступенчатую каскадную холодильную машину, включающую два последов^ тельно включенных замкнутых контура. Оба они устроен^ совершенно одинаково; основой каждого служил 口 ву* цилиндровый поршневой компрессор. Оба компрессора приво* дались в действие паровой машиной (на схеме показаны 〃н皿
、1 Пддробно об этом рассказано в гл. 3.
70
^^овикн，к которым шла от двигателя ременная передача). В контур6，расположенном внизу, циркулировал диоксид се-
SO* (сернистый газ). В двух ступенях А и В компрессора газ ^оследовательно сжимался от 0,02 до приблизительно 0,6 МПа л поступал в конденсатор D, где охлаждался водой, протекаю- 晔总 в трубках, и переходил в жидкое состояние. Жидкий диоксид А ср по трубке а через вентиль, где его давление снижалось ^ первоначального, поступал в кольцевую трубку С, где испарялся, охлаждая и конденсируя диоксид углерода СО3, протекающий по внутренней трубке К・ Полученный пар снова всасывался 卢 цилиндр 4 компрессора. Таким образом, в труб- ке С обеспечивалась температура около -45℃.
Аналогичный процесс протекал и в другом контуре, где работал компрессор с цилиндрами Е и Е Здесь сжимался уже другой хладагент - углекислый газ СО2, испарившийся при отводе тепла от металлической трубки Фарадея М в кольце* вом пространстве, образованном трубкой Н, при температуре около -130℃. Сжатый углекислый газ подавался в трубку К и после конденсации в ней за счет испарения SO2 возвращался в трубку Н через трубку е и дроссель N, охлаждая и, как считал Пикте, переводя в жидкость исследуемый мпостоянныйм газ. Получившийся пар СО2 отводился череэ трубку а в цилиндр Е компрессора. В последующих опытах Пикте заменил углекислый газ диоксидом азота N3O, что позволило ему снизить температуру кипения в трубке И до -140℃.
Добывая кислород нагреванием бертолетовой соли в сосуде под давлением до 20 МПа, Пикте получал, как он думал, в трубке М жидкий кислород, который можно было наблюдать в виде струи из капель и пара, выпуская его наружу через вентиль R. Пикте писал, что это бьша прозрачная струя, в центре которой находилась белая центральная зона, которую он счи- тал твердым кислородом. В дальнейшем Пикте проделал аналогичные опыты и с водородом, полученным в результате взаимодействия при нагревании муравьинокислого калия НСООК и едкого кали КОН. И здесь Пикте, как он писал, тоже наблюдал "струю с сине-стальной окраской, падавшую на пол :треском, напоминавшим падение металлической дроби*. В Дальнейшем Пикте получил аналогичные результаты, Работая с азотом и оксидом углерода.
У水е современники, отдавая должное достижениям Пикте "не подвергая сомнению получение им струи жидкого кисло-
рода в распыленном виде, не согласились с его трактовкой 如 лученных результатов. Так, один из французских специал如 тов по низким температурам Ж. Лефевр писал： "К несчастью через несколько лет удостоверились в том, что выводы Пик^ грешат большими ошибками. Позднейшие опыты показа^ что кислород ожижается при -130℃ под давлением околс 25 атм. Что касается водорода, то имея критическую темпера， туру значительно ниже -200℃, он не мог ни ожижаться,出 отвердеть в трубке аппарата при -140℃, как это показал* Пикте, и если в данном случае имело место (только) ожижение, то оно могло произойти только вне аппарата, под влиянием расширения газа”.
Сейчас мы можем уже точно проанализировать как способ ожижения, разработанный и использованный Р. Пикте, так н полученные им результаты.
Прежде всего нужно отметить ошибку Пикте в оценке полученных им температур при использовании СО2 в качестве хладагента. Диоксид углерода СО2 не мог "кипеть” в трубке Я, охлаждая кислород до -130℃. Тройная точка СО2 находится при f = -56,6℃; при более низкой температуре углекислый газ может существовать только в твердом виде - как "сухой лед". Поэтому жидкий диоксид углерода, выходящий из трубки К после дросселирования, попадал в трубку И в виде снега (вспомним опыт Тилорье). Этот "снег” и сублимировался там, охлаждая кислород (или другой газ) в трубке М・ Температура при этом не могла опуститься до -130℃, так как для этого нужно было бы откачивать пар до тех пор, чтобы установилоа давление р = 3*10~4 МПа. Подобное (или даже близкое) разр© жение в компрессоре Е достигнуть было невозможно. Температура могла опуститься примерно до -100℃ (ей соответствует давление 1340-3 МПа, что тоже трудно, но было достижимо 加 техники того времени). Замена СО2 диоксидом азота тоже не позволяла использовать для охлаждения кипение жидкости, так как N2O также затвердеет при температура намного более высокой, чем -130℃ (температура тройной тоЧ1 ки -90,7℃). Правда, снег N2O испаряется под более высоки^ давлением, чем СО2, однако и при его использовании тру嶼
капать пар, чтобы получить -130℃. Реальная цифра, полу- °енная Пикте, едва ли могла быть ниже -120℃ (может быть 4 самых благоприятных обстоятельствах -125℃), т.е. на ；овне немного ниже достигнутого еще Фарадеем.
"зта температура близка к критической для кислорода /154 6 К или -118,4℃). Таким образом, вопрос о том, был ли по- ；учен жидкий кислород в трубке М, остается открытым. Во всяком случае, дело было близко к этому. Но очевидно и дру- гое. Расчет однозначно показывает, что при дросселировании кислорода через вентиль R от любого давления выше 10 МПа д0 атмосферного кислород обязательно охладится до 」83℃ и частично ожижится. Следовательно, нет никакого сом- нения в том, что Пикте был прав, утверждая, что из его уста- новки вылетала струя жидкого кислорода! То же относится и к азоту, и к оксиду углерода.
Что касается водорода, то Пикте, как и Кайете, был очень далек от его ожижения. Даже при дросселировании с самого высокого давления при таких температурах получение жидкого водорода абсолютно исключено. Все разговоры о "струе с металлическим блеском и сине-стальной окраской55 связаны, по-видимому, как с примесями в водороде (в частности, воды), которые могли действительно сконденсироваться9 так и с сильным желанием получить нужный результат. Было бы несправедливо осуждать Пикте за эти ошибки. Его огромные заслуги справедливо остаются общепризнанными.
Впоследствии Пикте организовал в Берлине ^Лабораторию низких температур", в которой ожижение газов производилось в больших размерах. В этой лаборатории Пикте пользовался тем же способом, который был описан выше, но для предварительного охлаждения он употреблял другие газы. Жидкий диоксид серы SO2 был заменен ^жидкостью Пикте", которая состояла из смеси 64 весовых частей SO2 и 44 частей СО2. Эта смесь ожижается гораздо легче, чем СО2.
Так, Пикте к своему основному достижению 一 ожижению кислорода, азота и СО оригинальным каскадным методом Добавил новое - ввел рабочее тело холодильных установок, ^стоящее из смеси двух разных веществ. Далее увидим, что дея такого ,,коктейля>, была развита и позволила через го лет создать новые рабочие тела для холодильных и кри- ных установок с заранее заданными нужными свойст- вами.
Л. Кайете после 1877 г. тоже продолжал работать в обл眦 ти низких температур. Он потратил много усилий, чтобы ус® вершенствоватъ свою аппаратуру, получить жидкий кислород в форме, позволяющей сохранить его и исследовать, а так^е ожижить водород.
Но "звездный" час декабря 1877 г* уже не повторился. Ну тому ни другому так и не удалось достигнуть заветной цели ~ подержать в руках и продемонстрировать целому миру со守口 с жидким кислородом или азотом. Это не было случайностью, Оба метода - и Кайете, и Пикте - в принципе не могли дать этот результат. Нужен был цной подход.
Член академии Жамэн в докладе Академии наук 24 де. кабря 1877 г. сказал: "Теперь доказана возможность превращу ния кислорода в жидкость или твердое тело. За это говорят эти два опыта, причем опыт Пикте несколько дополняет опыт Кайете... Однако иметь возможность видеть жидкость или ту. ман, не умея то или другое собрать - это еще не все”. Еще пре* стоит проделать в этом отношении заключительную работу которая будет состоять в том, чтобы сохранить кислород в жид* ком состоянии при температуре его кипения…”
Это сделали и получили, наконец, ожиженные ^постоянные газы" через 6 лет другие исследователи - Ольшевский и Вроб- левский.
Перед тем как продолжить рассказ об ожижении газов, не* обходимо вернуться к началу XIX в・，чтобы установить, как возникла холодильная техника, и проследить, как она разви・
Глава третья
ПЕРВЫЕ шаги холодильной техники
(первая половина ХКв.)
Получить холод очень просто. Надо езять лед и засунуть его е холодильник.
Варя Канаева (б лет)
ИСКУССТВЕННЫЙ ЛЕД ВЫТЕСНЯЕТ ПРИРОДНЫЙ
Возвращаясь от ожижения газов к истории холодильной техники, о зарождении которой шла речь в гл. 1, можно определенно сказать, что в основе ее первых шагов был лед. Он был и иоходной базой холодильной техники, и первой ее целью.
Поэтому естественно, что и первый этап развития холодильной техники шел по традиционному "ледовому" пути. Нужно было научиться производить лед искуственно, вместо того чтобы пользоваться теи, что дает бесплатно природа. Конкурировать с природой в этой части было достаточно трудно, во всяком случае в Европе, Сибири и Северной Америке, где льда зимой было предостаточно. Добывать лед не так сложно (рис. 3.1), да и хранить летом тоже не составляло особого труда -это было отработано веками..
в^^ Заготовка речного льда в шт. Массачусетс (США) в 185(J r. (на рисунке 4ант二ра6оты: Распиливание льда на плиты, извлечение их из воды и °РтиРовка на склады)
Понятия "ле#, "холод” и мхолодильникм были неразрыв^ связаны. Понятно поэтому, что и первые попытки создан^ холода без природного льда для бытовых и технических ну出 тоже были связаны со льдом - но уже искусственным. Даже^ XX в. такое представление было еще живучим. И. Ильф и Е. П% ров в известной книге 5,Одноэтажная Америка*5 (1935 г.), ong вая бытовой холодильник, отметили, что* он не только 蹴 требует заправки льдом, но и сам его делает!
Мысль о холоде без льда в практическом плане сначала даже не возникала. Пель была ясна. Она состояла в том, чтобы самим делать лед искусственно, а не зависеть от природу она же и лежала в основе поисков всех первых изобретателей холодильных установок. Иногда такие устройства прямо на* зывали 5,льдоделательными машинами”。
Обращаясь к истокам холодильной техники, нужно, естественно, вспомнить тех, кому впервые удалось получил искусственный лед, и указать - когда и где это произошло. Однако это не так просто.
При изучении истории науки и техники часто бывает не голько трудно, но и просто невозможно установить, кто первый сделал то или иное открытие или изобретение. Дело не только в отсутствии достаточно полной информации； иногда и располагая ею, нельзя точно сказать, кто был "первым”. Споры об этом в большинстве случаев так же бесполезны, как дискуссия между Бобчинским и Добчинским в ^Ревизоре" о том, кто первый сказал ”з".
Применительно к получению - искусственного льда решить задачу о приоритете вообще невозможно, так как речь иди об очень древних временах.
В начале книги уже упоминалось об индийцах, которые с очень древних времен получали лед пполуискусственным путем в ясные холодные ночи. Хотя они и пользовались бла* гоприятными условиями, созданными самой природой, нема* лый элемент изобретательства здесь присутствовал, поскок ку были созданы хотя и довольно примитивные, но все 龄
о полнойо полнойтехнические устройства.
о полной
о полной
Первое исторически достоверное известие
искусственном получении водяного льда (уже упоминав1 еся ранее) относится к 1775 г., когда В. Гюллен, откачивая сосом пар из-под стеклянного колпака, внутри которого ходился сосуд с водой, получил в нем лед.
76
Примерно в это же время искусственный лед был получен н другим путем, о котором мы тоже упоминали ранее, - за- мора水以ванмем воды на стенке сосуда, в котором расширялся р03дух (опытМ，Пикте, 1799 г.).
Таким образом, можно сразу же отметить, что возникли два цНципиально различных пути получения низких температур 一 сначала для замораживания воды, а впоследствии и для создания холодильных машин общего назначения. Первый из них связан с испарением жидкости , второй -с расширением газа (воздуха), сопровождаемым производством внешней работы.
Каждый из этих двух способов развивался и совершенство- рался сначала независимо один от другого. Так было примерно д0 60-70-х годов XIX в., когда холодильные машины стали выпускаться массово и для разнообразных целей. Иногда мощный взлет холодильной техники 70-х годов называют ^холодильной peвoлюIДиeй,,. На неизбежный в такой ситуации вопрос "что лучше?” нужно было ответить в условиях жесткой конкуренции. Как шла борьба двух направлений, какие научные дискуссии велись на эту тему и чем они закончились 一 мы рассмотрим в конце этой главы. Перед этим нужно проследить непростые пути, по которым развивалось каждое из этих двух основных направлений холодильной техники.
ГАЗОВЫЕ (ВОЗДУШНЫЕ) ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
О первоначальных попытках создать воздушные (т.е. работающие гюсредотвом сжатого воздуха) холодильные машины сохранились лишь отрывочные сведения. Так, в 1755 г. немец- ки" изобретатель Хоэль в Хемнице (Австро-Венгрия) получил сильное охлаждение воздуха в результате его расширения с отдачей внешней работы. Примерно такие же исследования Доводил в Швеции уроженец Мекленбурга Вильке (1771 г.). т° бьгл первый, можно сказать поисковый； период создания воздущных холодильных машин.
"араллелвно с ним начиналось и затем было продолжено зо『етическое осмысление охлаждения воздуха и других га- пРи расширении. При этом следует упомянуть Эразма 70.Р 侬* (деда Ч. Дарвина), который изучал этот вопрос в ней Г°Дах XVIII в., а затем Д. Дальтона и Гей-Люссака; нако・ 'в 1824 г. Сади Карно ввел понятие об обратном (холодиль-
ном) газовом цикле. Этот второй, теоретический этап продолжен работами Д. Гершеля в 1834 г^ а затем В. Сим( и А・ Кирка уже в 50-60-е годы XIX в.
Работы по созданию действующих образцов воздушных лодильных машин между тем продолжались и вышли на，
вень, позволяющий применить их на практике. Начало треъ ему этапу положил в 1844 г. американский врач (опять вр&凶 Джон Горри1 (1803-1855 гг.). Его достижения в этой облас^ трудно переоценить. Дж. Горри изучал медицину в Нью-Йорце й после завершения образования работал врачом в городу Апалачикола (шт. Флорида). Именно жаркий климат это^ района побудил Горри заняться холодильными делами. Вц^ каждый день своих пациентов, мучающихся от высокой темпе, ратуры в помещениях больницы, он неотступно думал о тоц как им помочь. Лед, которого здесь не было, мог бы создал в палатах совсем другой климат. Не испугавшись трудное тей, он решил сделать холодильную машину, позволяющу» получать лед в количестве, достаточном для этой целк В 1845 г. Горри эту машину сделал.
Ее модель, показанная на рис. 3・2, хранится в патентном ведомстве США. ^^Льдoдeлaтeльнaя,, машина состояла из цилиндра диаметром около 200 мм (~8 дюймов), в котором воздр посредством поршня сжимался до 0,2 МПа. Тепло, выделяющееся при сжатии, отводилось гюсре口ством впрыскивания вода Сжатый воздух после этого поступал в цилиндрический горизонтальный ресивер, тоже охлаждаемый водой, пропускаемо! по уложенным внутри трубкам (он на рисунке расположен впереди фундамента). При последующем расширении воздухе в поршневом детандере в его цилиндр впрыскивалась соленая вода, которая при этом охлаждалась расширяклцимся воздух^ примерно до -7℃. Она и использовалась для получ^ льда. •
* Имеются сведения, что известный изобретатель паровых машин и 邮 возов англичанин Р. Тревитик (1771-1833 гг.) в конце 20-х годов сделал нескор ко образцов машин, предназначенных для охлаждения воды и преврахДв^ ее в лед. Принцип их действия заключался в том, что сжатый и затем °W денный до температуры окружающей среды воздух выпускался в воду и» 匕 ширяясь там, охлаждал ее до выделения льда. Однако дальше опытов 轡 не пошло.
Машина вполне исправно работала, но Горри не оставляла mjcji» о том, чтобы, как говорят у нас, мвнeдpить,, свое изоб- терение и сделать его доступным всем, кто в нем нуждался. I Последующие события вполне соответствовали этому терми・； ну. 22 августа 1850 г. Горри сделал заявку на патент, который и получил в мае 1851 г. Это был первый американский патент; на холодильную машину.
Из описания к этому патенту можно видеть, что Горри усовершенствовал свою машину, заменив впрыск соленой воды в детандер погружением его в соленую воду. Патентная фор- мула выглядела так: "Процесс охлаждения или замораживания жидкости путем нагнетания воздуха в резервуар, отвода выделяемого тепла компрессии посредством впрыскивания воды, отвода сжатого воздуха для расширения в машину, погруженную в сосуд с незамерзающей жидкостью, которая непрерывно возврахцается в цистерну и которая служит средой, поглощающей тепло, отводимое от воды, которая должна быть охлаждена или заморожена, и передано расширяющемуся воздуху”.
На рис. 3.3 показана в современном виде схема машины 「°рри・ Она почти безупречна по самым высоким стандартам. Естественно, что машины — компрессор и детандер, входящие в ее состав, конструктивно еще несовершенны, но это скорее говорит в пользу изобретателя. Ведь в это время, по существу, не было почти никакого опыта создания воздушных компрес- с°Р°в, а тем более расширительных машин — детандеров. Толь- 歐。некоторые идеи и конструктивные элементы можно было заимствовать из опыта создания паровых двигателей. Тем не Менее Горри, вра% не имевший ни инженерного образования,
3.4. Ст&туя Дж. Горри в *Ъале сЛавы”
JW\_
а丿
Рис. 3,3. Принципиальная схема *^йьдoдeлaтeльнoй^^ машины Дж. Горри:
а - первый вариант; 6 — второй вариант холодной части; 1 - компрессор; 2. охладитель сжатого воздуха; 3 - детандер; 4 - ванна для непосредственной намораживания льда рассолом; 5 — ванна для замораживания воды в сосуда 6 — ванна с рассолом, охлаждаемая погруженным в нее детандером; 7 — вентиц п —воздух; —вода; — — рассол
работа Горри не только дала тол- практикам-строителям холодиль- матнн. Она послужила основой решающего шага в развитии их Кии. Такой шаг был сделан В. Си- ме；сом (1823-1883 гг.) - немецким инженером, переселившимся в Анг- лиЮ и ставшим одним из лидеров в научно-техническом развитии этой страны】・ Он опубликовал в 1857 г. 口°” клад с критическим разбором мати・ ны Горри. Отдавая должное его достижениям, Сименс отметил и недостатки; однако особенность этой критики Сименса, свойственная творческим людям, состояла в том, что он
ни практики, сумел осуществить эти машины и на их основ создать вполне работоспособный агрегат.
С "внедрением" машины дело, однако, шло плохо; ГоррИ в мог найти человека с капиталом, который поддержал бы 雷 планы. Наконец он нашел такого партнера, но тот веко} умер, не успев начать дело.
Не понятый своими современниками и разочарован^ цепью неудач, Горри заболел сердечной болезнью и ск°" чался в возрасте всего 52 лет; планы его не осуществипиО Как это часто бывает (но тоже не всегда), соотечественник все же оценили его заслуги: через 44 года после смерти「8» фирма, выпускавшая холодильные машины, воздвигла ему 段 мятник в городе, где он работал. В памятном зале Капито濟 в Вашингтоне ("зале славы”)，где каждый штат устанав^ вает памятник своему самому выдающемуся гражданину,切‘ риду представляет Горри.
показал, как эти недостатки устранить.
Главное в замечаниях Сименса было связано с тем, что воздух, выходящий из цилиндра детандера, который идет на охлаждение соленой воды,, недостаточно охлаждается, если его пускать непосредственно в воду (рис. 3.3), как сделано в первом варианте машины Горри. Он предложил этот холодный воздух не выпускать, а направить в специальный теплообменный аппарат противотоком к сжатому воздуху, идущему в детандер. На рис* 3.5, б показано, как изменится в этом случае схема установки. Это предложение, получившее затем название ,9процесса с регенерацией", было им запатентовано, а сам патент и приведенная иллюстрация из него стали класси- 4е伙нмн и воспроизводятся практически во всех учебниках по холодильным и криогенным установкам.
J,.… 3JGW5 54DCN1XQ SUCJJJ
^^ьгельма стал сэром Вильямом.
80
81
Рис. 3.5. Иллюстрация из патента Сименса (холодильного процесса с регента. Нией) (а) и схема машины Горри с усовершенствованием, предложенным Симен， сом (б):
I — компрессор; 2 — холодильник; 3 — детандер; 4 — регенеративный теплообменник; 5 — сосуд для замораживания воды; 6 — золотниковая коробка детан< дера; 7 - сборник жидкого воздуха
Действительно, идея регенерации тепла, изложенная в эт||м патенте1, дает огромные преимущества. Отработавший холодный воздух, который еще сохранил достаточно низкую темпе* ратуру, не выбрасывается бесполезно, а возвращается в систему и используется для того, чтобы предварительно охладить сжатый воздух, направляемый на расширение* Поскольку в этом случае на вход в детандер воздух поступает более холодным, он и на выходе тоже понижает температуру. Таким образом, при тех же затратах получается большее охлаждение. По существу, после введения регенеративного теплообмена окончательно были установлены те 95три кита”，на которых стоит вся классическая низкотемпературная техника - детандер (или дроссель), регенеративный теплообменник и компрессор. В дальнейшем мы увидим неоднократные тому поД' отерждения.
1 Строго говоря, реген^&цию тепла впервые ввел в технику шотланд< пастор Р. Стирлинг, когда в 1816 г. изготовил и запатентовал свой воз тепловой двигатель [7,12]. 82
я регенерации тепла произвела подлинный переворот н шла в дальнейшем широкое применение не только в низ- "НеМпературной технике, но и во многих областях энергетики, к" зуЯ, например, высокую температуру отходящих дымо- “с газов, их направляют на предварительный подогрев воз* 唸,подаваемого в топку.
"'верЕМНОЙ достижений этого периода была воздушная лодипьная машина шотландского инженера А. Кирка
：Кб2 г.)* Она была уже вполне пригодна для промышленной еализации, и многие ее экземпляры использовались в различ- ，нх производствах, нуждающихся в холоде.
Сохранились как описания различных вариантов холодильных машин Кирка, сделанные им в докладе Институту гражданских инженеров в Лондоне 20 января 1874 г., так и его патент № 1218 (1862 г.). Из этих документов можно установить, чт0 холодильный агрегат Кирка отличался от машин его предшественников прежде всего тем, что работал по замкнутому процессу -циклу с использованием регенерации тепла, предложенной Сименсом. В ней поэтому постоянно циркулировала одна и та же порция воздуха. На рис. 3.5,6 штриховой линией показано, как осуществляется превращение разомкнутого процесса в
цикл.
"Замкнутость" процесса позволяет осушить весь воздух, циркулирующий в системе, и тем самым устранить неприятности, связанные с конденсацией или вымораживанием содержащейся в нем воды. Осушка воздуха производилась посредством открытого сосуда с концентрированной серной кислотой H2SO4, помещенного в нагнетательной линии компрессора. В пусковой период влага, со дер ж ащаяся в воздухе, поглощалась кислотой; в дальнейшем кислота нужна была только Для того, чтобы удалить ту влагу, которая поступает с наруж* ннм воздухом через неплотности в коммуникациях.
Кроме перехода на замкнутый процесс. Кирк ввел еще одау новинку - регенерация тепла происходила в его агрегате не в теплообменнике, где два потока газа движутся навстречу один другому (противоточный теплообменник), а в регенератов Ре Это устройство, принцип действия которого показан на Рнс. 3.6, представляет собой трубу, заполненную так называе- м。" ,^нacaдкoй^^ - металлической стружкой или "путанкой” *з проволоки (а иногда и мелкими осколками камня), через вторые воздух свободно проходит. Когда через регенератор
Рис. 3.6. Схема работы регенератора (а) и теплообменника (б), а также графики изменения температур потока А (охлаждающегося) и В (нагреваемого) в эти аппаратах:
1 - насадка; 2 - стенка трубки; температура насадки Тнас меняется в интервале АТнас в зависимости от того, какой поток (А или В) идет по регенератору; температура стенок трубок теплообменника 4T 门。времени не меняется; / - длина теплообменного аппарата
пропускается теплый воздух, насадка нагревается. Затем теп лый воздух отключается и в противоположном направлении пропускается холодный, который, охлаждая насадку, сам нагревается. Затем снова пропускается теплый воздух, который охлаждается, нагревая насадку, и т.д. В результате тепло, так же как и в теплообменнике, передается от теплого потока к холодному, но не через стенку, а посредством насадки Регенератор по устройству проще теплообменника и может на единицу объема передать больше тепла, чем теплообменник.
Усовершенствования, сделанные Кирком, привели к достижениям, намного превышающим результаты, полученные его предшественниками. Сначала он добился температуры н& выходе из детандерц, равной -13℃, а затем, после доработки и дополнительных улучшений, ему удалось даже заморозив ртуть. Это означало, что впервые в истории темиературу нм孤© -40℃ удалось получать непрерывно в холодильной мзтмН©
m朋：m朋：К тогда говорили Имеханическим 口утем”)，без каких-либо лаясдающих смесей или испарения под вакуумом легко- оХ яШИх жидкостей. По сравнению с этим ,,физическием * тоды, посредством которых низкая температура получа- 〃ась однократно в какой-либо порции вещества. Это был огромный шаг вперед.
m朋：
m朋：
у Важно также отметить, что Кирк уже вышел за пределы чис- т0 «ЛЬдоделательногоъ мышления и его машина могла производить холод в довольно широком интервале низких темпера- тур-от0до-40℃.
Сыграло большую роль и то, что Кирк, в отличие от Горри, йМеЛ техническое образование, а общий уровень промышлен- ного развития был в то время в Англии выше, чем в США.
В машине Кирка получали 4 кг льда на 1 кг угля. Тогдашние паровые машины требовали от 1,5 до 1,75 кг топлива (угля) на одну эффективную лошадиную силу в час. Такой, на первый взгляд, странный расчет по углю, а не по электроэнергии станет вполне понятен, если вспомнить, что в то время никаких электростанций и электросетей не было. Каждая холодильная установка имела свой индивидуальный привод от своей же паровой машины н, по существу, представляла единый агрегатэ состоящий из двух машин: холодильной и паровой.
Чтобы установить, как результаты Кирка выглядят по сравнению с современными холодильными машинами, можно провести небольшой расчет.
Начнем с того, что подсчитаем, какое количество тепла Qo должна отвести холодильная машина от 4 кг воды, чтобы превратить ее в лед. Теплота плавления льда (или, что то же самое, замораживания воды) составляет 334 кДж/кг. Отсюда
холодопроизводительность машины Кирка
& = 334-4 = 1336 кДж/ч.
Учитывая необходимость еще и предварительно охладить вопу до 0℃, примем Qo = 1400 кДж/ч.
Паровая машина, расходующая 1,6 кг (возьмем среднюю Цифру) уГля на 0,7457 кДж/с (1 л.с./ч при теплоте сгорания английского угля 30000 кДж/кг), имеет КПД
с 0,7457 • 3600
км = "°56 = 5,6 % ・
1,6 - 30 000
Следовательно, паровая машина в час отдавала холодили машине работу?
L = 30 000 ・ 0,056 « 1680 кДж.
Отсюда легко определить холодильный коэффициент шение полученного холода Qo к затраченной на это ] машины Кирка:
е - Qo / £ = 1400/1680 = 0,83..
В идеальном случае по (23)'И
."~270 -300■
%匸 1400 —— = 1400 亏二-155,6кДж,
а не 1680 кДж.■
Следовательно, КПД холодильной машины Кирка
к = 155,6/1680 = 0,093 или 9,3%.Л
Это вполне достойная цифра, если учесть, что лучшие соере менные аналогичные воздушные машины имеют КПД около 18%. Любопытно отметить, что сравнительно невысокий КЩ холодильной машины Кирка все же существенно выше, чем; паровой машины, приводящей ее в движение.
В дальнейшем Кирк разработал другие, еще более совершенные варианты своей машины. Если в первой машине Кирка давление воздуха составляло едва 0,2 МПа, то в новых машинах оно достигало уже 0,6-0,8 МПа. Одна из первых большш машин новой модификации была установлена в 1864 г. иа фабрике по производству масла "Юне, Мелдрум и Биннп". От работала круглосуточно 10 лет и останавливалась на текут球 ремонт только на 1-2 сут через каждые 6-8 мес. Число выпущен* ных Кирком машин было невелико, но они сыграли важную? роль не только в развитии, но и в распространении хслоди-пь- ной техника.
Воздушные холодильные машины в дальнейшем совершенствовались американцем Л. Алленом и немцем Ф. Виндхауз®' НОМо
Таким образом, к 60-м годам схемы воздушных холодиль- ных установок уже вполне сложились.
морск’морск’К 70-м годам воздушные холодильные машины были доволь- н。широко распространены. П. Гиффорд представил такую ма・ ^ину на Парижскую выставку 1877 г.; с 1880 г. их выпускали серийно в Англии. Особенно широко их использовали для ：ой транспортировки охлажденной рыбы.
морск’
морск’
Наиболее высокого совершенства эти машины достигли в варианте, разработанном Джеймсом Големаном. Он по совету В，Томсона основательно занялся этой машиной и в 1877 г. вступил в союз с братьями Белл, предпринимателями, владевшими большими бойнями в Глазго и заинтересованными в транспортировке мяса через океан. Машина отличалась от предшествующих особенно тщательно отработанной конструк- цией и большей безопасностью эксплуатации» Она нашла в короткое время широкое распространение. Замечательно, что на этой машине впервые были использованы для регулирования дроссель на паропроводе паровой машины, служившей для привода, и термостат, установленный в охлаждаемом по
мещении.
В машине применялся противоточный регенеративный теплообменник, в котором воздух, возвращающийся из холодильной камеры, охлаждал сжатый в компрессоре и идущий на детандер воздух.
Эти машины были уже довольно крупными, с мощностью при- ^ода до 221 кВт, Многие другие английские фирмы выпускали такие магпнньГ и в дальнейшем.
Несмотря на все эти достижения, воздушные холодильные установки к 70-80-м годам почти полностью сошли со сцены. Сработал один из ^,жeлeзныx^^ системных законов научно-технического прогресса - так называемый "закон s-кривой^. Сущность его состоит в том, что любое техническое устройство проводит в своем развитии три стадии - поисковую, интенсивного развития и сатурации - насыщения.
Если на графике по оси ординат отложить некую обобщению качественную характеристику рассматриваемого технического объекта, а по оси абсцисс - время, то ход развития 'тог。объекта во времени изобразится кривой, похожей на букву £
Первый горизонтальный отрезок этой кривой, расположен- Hbifi левее точки % соответствует начальному, поисковому
Рис. 3.7.5-КриваяРис. 3.7.5-Кривая
Рис. 3.7.5-Кривая
Рис. 3.7.5-Кривая
этапу создания нового 06g та техники1. Работа здесь ц^ еще наощупь, методом проб ошибок; на каждом шагу в^ никают новые проблемы,通 ти решения которых неясцц Часто опыты заканчиваю?^ неудачей или возникают 小 пиковые ситуации, выход 崎 которых удается найти с тру, дом.
Если, однако, идея верн^ то в конце концов наступает момент, когда основные труд, ности преодолены и новый 叫
нический объект дает первые вполне надежные положительные результаты. После этого начинается интенсивное развитие и совершенствование объекта; его конструкция и схема совершен ствуются, а характеристики быстро улучшаются. Этому перио ду крутого подъема соответствует участок аЬ.
В конце концов наступает момент, когда из нового (а теперь уже не совсем нового) объекта выжаты почти все его резервы, доступные для реализации на уровне современной техники и технологии. Наступает период сатурации, соответствующий участку Ь29 когда рост качественных показателей замедляется, а затем почти прекращается* Объект еще хорошо выполняет свое назначение и занимает уверенное положение на рынке. Однако научно-технический прогресс продолжает свое неук* лонное движение: возникает новая идея, которой суждено пройти, в свою очередь, такой же путь. Новый, молодой объект еще только формируется, ищет пути технической реализаций проходит тот же начальный тернистый путь, что и предыдущий* При этом его первые образцы, как правило, , даже хуже, чем отработанные, "вылизанные" изделия старого типа. ПоэтоИ участок 2‘а'новой кривой проходит ниже; эффективность нового объекта пока еще меньше, чем у старого. Но когда он н8・
При этом использован обобщающий термин Технический объект** может быть машина, аппарат, агрегат и т.п.
88
сИлы и наступает период быстрого роста, новый объект ^%。обгоняет старый по своим показателям... и судьба тех- ^ческих объектов предыдущего поколения решена - в метал- н" м или, в лучшем случае, в музей. Дальше история вновь Л°нторяется. Такова диалектика развития поколений тезсники» "°На каждом участке s-кривой нужны разные люди. На пер- поисковом 一 энтузиасты, главная черта которых 一 науч- в ^хническая интуиция, умение видеть перстективу, вера в идею и настойчивость. При этом даже необязательны глубокий поофессионализм и специальное образование1. Предпринимате- дИ банкиры и вообще всякое начальство, от которого зависит
датьдатьход новинке или не дать, относятся к предложениям,
дать
дать
находящимсянаходящимсяна первом этапе, с осторожностью, так как га-
находящимся
находящимся
рантий успеха нет и есть значительный элемент риска.
История работ и злоключений Д. Горри наглядно иллюстрируй этот первый, самый трудаый участок s-кривой.
На участке подъема, напротив, нужна уже не столько интуиция, сколько эрудиция. Нужны солидные, хорошо подготовленные профессионалы, могущие "повеста” и усовершенствовать конструкцию, знающие технологию, производство и экономику. В истории газовых холодильных установок такими
были Кирк, Аллен и Виндхаузен.
Наконец, на третьем этапе (насыщения) не нужны творческие способности никакого вида. Тут, напротив, обычно сторонники старой техники упираются и по возможности стараются ”口авить” изделия следующего поколения, опираясь главным образом на амбицию^ авторитет и скепсис, ибо в отрицании нового других средств нет.
В 70-80*х годах прошлого века с газовыми холодильными машинами вступили в конкурентную борьбу паровые холодиль- ные машины. Сложилась ситуация, соответствующая взаимодействию двух последовательных s-кривых: старой на участке Ь2 ” новой на участке /%1
Воздушные холодильные машины к концу 80-х годов Хв* из-за больших размеров и энергопотребления, а также
Иногда излишняя эрудиция даже мешает творческому воображению; б^Меры этого в истории науки достаточно многочисленны. В. В. Маяковский £史3 ему остроумием и афористичностью сказал по этому поводу * 4Toбы создать что-нибудь стоящее, нужно достаточно мало 幾нать".
массы оборудования должны были уступить рынок новык( более эффективным паровым машинам. Дальше мы увид^ что после первой мировой войны перспективы газовых машин снова возросли, но уже на новой технической основе и специфических областях применения.
ПАРОВЫЕ (Г1АРОКОМПРЕССИОННЫЕ) ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ W
Идея паровой компрессионной холодильной машины зародилась, по существу, уже тогда, когда впервые вода была охлаждена под колпаком при откачке воздуха насосом. Однако до машины как таковой было еще далеко, так как производилось лишь однократное, а не непрерывное охлаждение. Но н при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало большие трудности. Чтобы их уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. Систематическое исследование получения хо・ лода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала (1781 г.) Т. Кавалло и позже (1813 г.) А. Маре.
1805 г. О, Эванс опубликовал описание машины ”口ля охлаждения жидкостейн, в котором предлагалось использовать для этой цели испарение этилового спирта.
Описанная им идея включает почти все принципиально важные для холодильной машины процессы: испарение эфира при низком давлении (под вакуумом), откачку пара насосом (т-е. компрессором) в другой сосуд и конденсацию этого пара холодной водой, отводящей от него тепло. Здесь не хватает только одного важного элемента, который позволил бы замк* нуть цикл и вернуть жидкий эфир в сосуд, где он бы мог снова испаряться, охлаждая или замораживая воду.
Для этого был только единственный путь - заставить эфир циркулировать в замкнутом контуре так же, как и в га- зовой машине.
Первым, кто успешно вступил на этот путь и подготовил условия для продвижения по нему, был англичанин Я. ПеГ
Рис* 3.8. Якоб ПеркинсРис* 3.8. Якоб Перкинскине. В августе 1834 г. он получил британский патент №6662 "Аппарат для производства холода и охлаждающих жидкостейэ\ Эта дата может быть с полным основанием принята как начальная точка отсчета в истории паровых холодильных машин.
Рис* 3.8. Якоб Перкинс
Рис* 3.8. Якоб Перкинс
Я. Перкинс родился в 1766 г. Получив техническое образование, он всю жизнь работал над совершенствованием паровых машин и накопил большой опыт в этой области. Только в довольно солидном воз
расте он по причинам, которые его биографы не могли выяснить, обра” тился к холодильным машинам,
которые в то время не имели какого-либо промышленного значения, Ему было 68 лет, когда он получил свой основополагающий патент на парокомпрессионную холодильную машину с замкнутым контуром. Он прожил еще 15 лет, но реализовать эти идеи ему не удалось, хотя ему, как известному конструктору паровых машин, казалось бы, признание должно было быть обеспечено. Один из его биографов писал: ”Нет сомне-
ния,что он заплатил штраф за то, чтс опередил свое время”.
Судьба идей Перкинса обычна; большинство слишком новых предложений не нашли отклика у современников. Однако она уникальна в том смысле, что трудно найти в истории техники человека, который в таком возрасте сделал бы столь важное изобретение, да еще в новой области.
В своем патенте Перкинс предложил собирать испарившееся летучее вещество, затем сжимать его газовым насосом (т.еа компрессором) и после этого снова конденсировать холод- ной водой, т.е. осуществлять полный цикл, чтобы непрерывно снова получать то же самое количество легколетучего вещества. Эта кажущаяся теперь очень естественной мысль в четкой форме до Перкинса никому не приходила в голову. °н, однако, не ограничился просто выдвижением идеи, а про- ДУМап и ее инженерную реализацию.
На рнс* 3.9 показан чертеж из его патента. В изолированном °°口口е а находится охлаждаемая жидкость. Предусмотрен так- "е сосуд с легкокипящим испаряющимся веществом (испари- №砌 Ь. В качестве такого вещества Перкинс рекомендовал
Рис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из п^Ц^ кого описания) •WIРис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из п^Ц^ кого описания) •WI
Рис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из п^Ц^ кого описания) •WI
Рис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из п^Ц^ кого описания) •WI
эфир (этиловый эфир), поскольку он дешев и характеризуется невысоким давлением пара. Пары поступают по трубопроводу / в паровой насос с (т.е. компрессор) и после сжатия подаются по трубопроводу g в конденсатор d, помещенный в ванне е с холодной водой (погружной конденсатор). Здесь пар при давлении, близком к атмосферному, конденсируется, и жидкость через дроссельный клапан 力 возвращается в испаритель. Видно, что здесь полностью предусмотрены все части парокомпрессионной холодильной установки. Если весь воздух из машины удалить, она будет исправно работать.
Я. Перкинсу не пришлось увидеть свою машину "日 металле*1- Довольно несовершенная опытная машина по идее Перкинсз была сделана уже после его смерти. Ее устройство полностью повторяет эскиз Перкинса (рис. 3.10), но ручной насос заменен уже механическим компрессором. Испаритель выполнен 1 виде двух соединенных полушарий. В верхний помещает^ замораживаемая вода, а в междустенное пространство - исп^ ряющийся хладагент. На этой машине удалось получать П°
Рис. 3.10. У совершенствованный вариант машины Перкинса
вольно много льда, Я. Перкинс не был единственным, кто подошел к идее цикла. Похожие мысли высказывали в 30-е годы немец Хазен и англичанин Щоу. Однако их идеи не были столь доработаны. Большого успеха достиг в практическом осуществлении идеи Перкинса А. Твиннинг, с 1848 г. начавший работу с этиловым эфиром. В 1850 г. он получил английский, а в 1853 г. американский патент (№ 10221). Одна такая машина работала в Кливленде и давала 50 кг льда в час
Наибольший успех в развитии паровых холодильных машин был достигнут Дж. Гаррисоном (родился в 1816 г. в Глазго). Это, несомненно, вторая крупная фигура в истории паровых холодильных машин после Перкинса. Он эмигрировал в Австралию (Сидней) в 1837 г* и поселился вблизи Мельбурна. Был сначала журналистом и издателем газеты, но с 1850 г. занялся проблемами получения холода. Его первая профессия давала возможность быть в курсе главных экономических проблем того времени. Одна из них была связана с потребностью в замо・ Раживании мяса, экспортируемого из Австралии в Англию. В период 1856-1857 гг. он получил два основополагающих анг- лийских патента (№747 и 2362) на машины с этиловым эфиром в качестве хладагента. Правда, он уже обдумывал в это время Использование других рабочих тел, в особенности аммиака.
В 1875 г. Гаррисон ездил в Лондон, где обсуждал проблемы рз даждения с Фарадеем и Тиндалем1.
Наладив производство холодильных машин, Гаррисон занял ・ ся непосредственно замораживанием мяса для экспорта в Англию. Однако сначала он попробовал замораживать мясо на берегу в стационарных условиях. В 1873 г. он провел эксперимент в Мельбурне, заморозив посредством своей машины мясо, ры・ бу и тушки птицы. Через 6 мес. был проведен осмотр и провер. ка качества. После удачного окончания этой пробы Гаррисон в 1873 г. решился на широкомасштабный эксперимент. Он погрузил на судао "Норфольк", оборудованное его холодильной установкой, 20 т баранины и говядины, заморозил груз на борту, и судно отправилось в Англию. Однако здесь Гаррисона ожидало поражение: машина вышла по дороге из строя и по прибытии в Лондон покупателя на привезенное мясо не ^ нашлось. Гаррисон понес большие убытки, вынужден был ос- -тавить коммерческую деятельность и занялся научной работой, Умер он в 1893 г. Машины Гаррисона, работающие на зфир8 продолжали несколько лет выпускаться в Лондоне.
Независимо от Гаррисона, Ф. Карре, известный тем, что изобрел совершенно новый и оригинальный вариант паровой хо* лодильной машины (о котором речь будет дальше), разработал паровые холодильные машины не только на этиловом эфире, но и на сернистом ангидриде (французский патент от 27.06.1857).
Одна из установок, построенных по этому патенту, была смонтирована в южной Франции на заводе по производству соли и использовалась при получении сернокислого натрия (глаубёровой соли) из морской воды.
Второй научный комментарий. Прежде чем перейти к дальнейшему изложению истории паровых холодильных машин, полезно взглянуть на их эволюцию с общих позиций.
На рис. 3.11 показаны пять схем, характеризующих узловые точки движения по этому пути, занявшему почти целое сто* летие. Началось все, как известно, с испарения воды под в&‘ куумом, создаваемым при откачке пара насосом; при этом
* Характерно, что многие создатели холодильной техники поддерживав связь с тогдашними корифеями науки и консультировались с ними. В чи^с таких консультантов был наряду с Фарадеем и Тиндалем и В« Томсон-Кель»^ (который помогал Големану), Гей-Люссак и др.
Рис. 3.11. Пять этапов развития парокомпрессионных холодильных установок: а - испарение жидкости (вода) под вакуумом, создаваемым насосом, откачивающим пар в атмосферу* Жидкость охлаждается и может быть превращена в лед; б - то же, но лед образуется в специальном сосуде (при этом можно при* менять для испарения другую жидкость)； в ~то же, но более удобная конструкция； г - откачанный пар не выпускается в атмосферу, а конденсируется при теплообмене с холодной водой и через дроссель возвращается в испаритель (вве- дено принципиальное изменение); д — то же, но холод используется не в испарителе для получения льда, а для поддержания низкой температуры в холодильной камере. В испарителе охлаждается рассол, прокачиваемый через холодильную камеру
в°да превращалась в лед. Затем стало ясно, что лучше испарять легкокипящую жидкость (например, эфир); тогда для по・ пу^енмя низкой температуры не нужен столь глубокий вакуум. Поэтому и насос, откачивающий пар, будет проще. Лзд в этом Syqae может получаться в специальном металлическом сосу- Пе без откачки его паров. Тепло от воды будет при этом переда- ватьс用 через стенку сосуда, вокруг которой кипит охлаждаю- 侬夕 ЖИДКОСТЬ.
Затем исчез и колпак воздушного насоса; установка пр№ ^няла уже полупроизводственный вид» В сосуде, образованно^ двумя сферическими поверхностями, кипит под вакуумом g кокипящая жидкость, а в верхней чаше получается лед, кото, рый легко удалить и использовать*
Однако и такой вариант не очень хорош. Ведь пары легк^ кипящей жидкости теряются при откачке и уходят в атмосфе. ру. Появилась гениальная по простоте мысль: сконденсира вать их и снова использовать. Для этого после насоса (теперь он превратился в компрессор-машину, которая не только от. сасывает, но и нагнетает) устанавливается конденсатор. Это теплообменный аппарат, к тому времени хорошо известный • по существу, такой же конденсатор, как и в паровых машинах, Разница состояла только в том, что в них конденсатор устанавливается по.сле цилиндра машины, в котором пар расширяется до низкого давления, а в холодильной установке, наоборот, после машины, в которой пар сжимается до высокого дав< ления. Это обстоятельство показывает, что паровая холодильная машина - по существу, паровая машина "наоборот”,
Дальше возникает вопрос - как наилучшим образом вернуть полученную жидкость в испаритель, чтобы снова получить там холод при ее кипении. Ведь в конденсаторе повы' шенное давление рк, созданное компрессором, а в испарителе низкое ри, созданное им же. Вот на основе этого и появился дроссельный клапан (или вентиль), в котором жидкость дроо селируется, охлаждаясь; при этом ее давление снижается, и она поступает в испаритель. Процесс замкнулся: получился цикл. Он полностью соответствует по идее обратному циклу Карно (см・ гл. 2). Все отличия связаны лишь с тем, что там ра‘ ботает газ, а здесь пар и жидкость.
Последнее усовершенствование связано с устранением не обходимости получения льда. Вместо воды в испарителе о『 лаждают хладоноситель - жидкость, не замерзающую при ни$ кой температуре (например, рассол). Эту жидкость насосом пРе качивают через охлаждаемое помещение (камеру), котор" может находиться и на значительном расстоянии от холоди^
HOg машины. Все дальнейшие усовершенствования ведутся “ буДУт вестись на базе цикла (или циклов) и его обязательных элементов: компрессора, конденсатора, дросселя и испари.
у8ЛЯ«
Назначение каждого из них очевидно и не нуждается в комментариях. Следует только напомнить, что дроссель в паро жидкостном цикле играет ту же роль, что и детандер в газо bom； он обеспечивает внутреннее охлаждение, т.е. необходи- мое понижение температуры рабочего тела без какого-либо постороннего отвода тепла. Этот эффект (как и в газовом цикле) обеспечивается за счет ,,срабатываниям разности давлений Рк и ftp которые создает компрессор.
Какими же должны быть эти давления? Все зависит от двух факторов. Первый из них - это температуры в испарителе Ти и конденсаторе Тк. Значение Ги определяется температурой того объекта, который нужно охладить. Если, например, мясо нужно поддерживать при температуре -10℃ (263 К), то Ги должно быть на несколько градусов ниже； например -15℃ (258 К). Иначе ничего не получится - ведь то, чем охлаждают, должно быть обязательно холоднее, чем то, что охлаждают*
Аналогично в конденсаторе, где тепло отводится в окружающую среду, температура Тк должна быть несколько выше, чем в охлаждающей воде или воздухе. Что касается давлений % и % то они при данных & и Ти зависят от природы того в* щества, которое используется в качестве рабочего тела холодильной машины. Второй фактор связан с тем, что для каждого вещества существует зависимость температуры испаре* ния (и соответственно конденсаиии) от давления.
На рис. 3.12 показана такая зависимость для четырех ве- Ществ: этилового эфира (С2Н5)2О, метилового эфира (СН3)2О, сернистого ангидрида (диоксид серы) SO2 и аммиака NH3.
Из графика видно, что при использовании этилового эфира Давление в конденсаторе при температурах % и Ти, приведен- ннх выше, будет меньше атмосферного %$♦
Это при малейших неплотностях может привести к подсосу воздуха в систему и нарушению ее работы (не говоря уже о возможности взрыва смеси эфира с воздухом). Поэтому одаой из задач создателей холодильных машин было устранение ЭТой опасности. Тут было два пути. Первый - замена использу- емого этилового эфира на такое рабочее тело, которое имело бы большее давление при тех же (или близких) температурных
Рн& 3.12. Зависимость температуры nepejQ. да пара в жидкость и обратно от давлен^ пля четырех рабочих тел парокомпрессц. онных холодильных установок
условиях [ отсюда переход к (СН3)2О, S02 или в дальнейшем к NH3]. Второй - чисто конструктивный - обеспечение герметичности. При этом трудаости были связаны, главным образом, с конструкцией уплотнений в подвижных элементах компрессора.
Не менее важной заботой конструкторов было регулирование машины* Удобнее всего это было делать, меняя размер сечения для прохода рабочего тела через дроссель, в зависимости от необходимых холодопроизводительности и температуры Ти・ Наконец, часто возникали ситуации, когда нужно было обеспечить охлаждение одного или нескольких помещений или объектов, находящихся на значительном расстоянии от холодильной машины. Тащить туда испаритель вместе с хладагентом было, естественно, нежелательно* Поэтому была придумана схема с циркуляцией хладоносителя (наприм^ рассола), не замерзавшего при низкой температуре. Рассол охлаждался в испарителе, а затем циркулировал между уста* новкой и потребителями (см. рис. ЗЛ1).
Решением всех этих задач и занимались создатели новых холодильных машин.
Машины Карре имели ряд интересных особенностей. Из них нужно отметить две. Первая относилась к компрессору (рис. 3.13): он был двойного действия, имел охлаждающую рубашку, позволяющую отводить часть тепла сжатия непосредственно в цилиндре, и усовершенствованную набивку сальника1, препятствующую подсосу воздуха. Вторая относилась к дроссельному вентилю; он был герметичным и регулировался
Термин "сальник” происходит от сала, которым смазывали его набивку.
Рис. 3.13. Схема поршневого холодильного компрессора двойного действия:
1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - сальник; 5 - охлаждающая водяная рубашка； 6 — всасываюхций патрубок; 7 — нагнетательный патрубок
автоматически изнутри посредством мембраны, на которую давили пары хладагента. Если давление в испарителе возрастало (т.е. повышалась температура кипения), мембрана, действуя на клапан, прикрывала его. Давление в испарителе падало, и соответственно снижалась температура. Это был один из первых в истории техники автоматический регулятор с отрицательной обратной связью! Первым был известный регулятор Уатта.
Что касается перехода на другие, более удобные рабочие т®ла и отказа от этилового эфира, то здесь нужно отметить X. Телье (1828-1913 гг.)9 который разработал машины, где заменил этиловый эфир на метиловый. Давление тогда стало намно- го больше (0,177 МПа при -10℃9 0,605 МПа при +25°С). Но наиболее подходящим рабочим телом, с его точки зрения, был аммиак (об аммиаке он писал еще в 1867 г. в брошюре 5,Амми- ак в промышленности"). Он также задумал и осуществил пер- вУю линию для охлаждения пива на пивоваренном заводе.
Решающий шаг, который определил победу паровых холодильных машин над газовыми в 80-90-х годах прошлого века,
99
связан с работами К. Линде. Значительная часть крутого под^, ема, характерного для средней, части s-кривой (см. рис. 3.7), 6瓜 ла создана им.
К этому времени термодинамика, развитие которой на. чалось с труда С. Карно и продолжалось трудами Клаузиуса й Томсона, развилась настолько, что могла стать наувдой ба. зой холодильной техники. В то же время она достигла уров. ня, при котором не могла дальше успешно развиваться без научной базы только на основе экспериментального проекти. рования.
К. Линде сумел не только соединить теорию с практикой в области холодильных машин, но и9 как мы увидим в гл, 4, был первым среди тех, кто заложил основы технической криогеники.
Рис. 3.14. Карл Линде
Карл Линде родился в 1842 г. в Берндорфе (Верхняя Франкония, Германия). До 1861 г. он посещал гуманитарную гимназию, а с 1861 по 1864 г. учился в Цюрихском политехническом институте. Преподавание в зтбм учебном заведении стояло на очень высоком уровне; достаточно назвать среди профессоров такие имена, как Дедекинд (математика), Клаузиус (физика), Цей- нер (теория машин) и Рело (механика). К. Линде уже тогда особое внимание уделял термодинамике - базовой науке для всей низкотемпературной физики и техники. С 1864 по 1868 г. он работал в промышленности, на паровозном заводе, где прошел практическую инженерную школу. 100
Когда в 1868 г. в Мюнхене была организована Высшая техническая школа, онэ несмотря на то, что ему было 26 лет, был приглашен туда как экстраординарный профессор по курсу машиностроения. Через четыре года он был уже ординарным профессором в Дармштадте, откуда возвратился в Мюнхен и оставался на должности профессора до 1879 г. Этот период его 笈изни был чрезвычайно плодотворным. Он работал одновременно в трех направлениях: научном, инженерно-конструкторском и как предприниматель-организатор1 (не говоря уже о педагогической деятельности).
В 1870 г. он опубликовал основополагающую работу "Об отводе тепла при низких температурах механическими средства- ми" (в переводе на современный язык 一 "О холодильных ма- шинах5?)« В ней, по существу, впервые был проведен термодинамический анализ обратных циклов. К. Линде показал, что ни
одна из холодильных машин, построенных и испытанных к этому времени, еще не достигла КПД, равного 20%. Констатация этого грустного факта одновременно давала и вдохновляющий стимул. Из него следовало, что в принципе можно еще повысить эффективность холодильных машин в 4 раза! В новой ра
боте 1871 г. ,5Усовершенствование льдоделательных и холодильных машин,5 (уже через год!) он исследовал пути, по которым нужно двигаться, чтобы использовать в пределах технических возможностей эти резервы и достигнуть лучших результатов. Одновременно с этим Линде сумел добиться усовершенствова- иия производства пива в результате отказа от природного льда и перехода на холодильные машины (рис. 3.15). Об этом он в 1873 г. с успехом доложил на Международном конгрессе
пивоваров в Вене.
К. Линде вначале использовал, как и Гаррисон и Телье, в своих холодильных машинах метиловый эфир, но в отличие от них не только взвешивал и обсуждал возможность перехода на аммиак, но и реализовал ее. Первая из аммиачных
工 Эти годы (70-80-е годы) были в Германии периодом быстрого промышлен- н°г。подъема, вызвавшего появление людей, сочетавших в себе инжеыерно- научные и предпринимательские способности. Особенно крупными фигурами ^еди них были (кроме К. Линде) братья Сименсы (о В, Сименсе мы уже упоми- н^ли раньше; другой брат - крупный электротехник - был организатором кон* Парна. "Сименс”, существующего до сих пор) и не менее известный оптик Карл Цейс с.
жения и хранения пиважения и хранения пиваРнс・ 3.15. Склад льда для g剧.
жения и хранения пива
жения и хранения пива
машин была сделана 犷 1876 г. Ее компрессор по. казан на рис. 3.16. Одна из машин этой серии р&・ ботала с 1877 по 1908 г. (31 год!) на пивозаводе в Триесте; сейчас она находится в Техническом музее Вены,
К. Линде непрерывно совершенствовал конструкции компрессоров и остального оборудования холодильных машин на аммиаке и продавал лицензии как в Германии, так и в других странах (Швейцарии, Бельгии, Англии, США).
Промышленное развитие пела, которое он начал, скоро приняло такой размах, что Линде вынужден был в 1879 г. отка* заться от профессорской деятельности. В этом же году он стал во главе вновь организованной фирмы1 в Висбадене, которую он лично вел до 1890 г1. После этого К. Линде вернулся к научной деятельности, переключившись уже на криогенную технику. Его изобретения в области ожижения воздуха и получения низких температур открыли, по сути, криотемпературам путь в технику и технологию* Они были настолько успешными, что заставили Линде организовать в 1895 г. особое отделение фирмы в Мюнхене, которое было предназначено только для производства криогенной техники. К. Линде умер в 1934 г. в воэ- р#сте 93 лет. О работах Линде в области криогенной техники и низкотемпературной термодинамики будет подробно рассказано в гл. 4. 斯
Общество льдоделательных машин Линде" (тр&дициошш терминов гия - по существу это были, конечно, холодилыше машины). Фирма Лияв0 супдаствует и успешно действует до сих пор.
102
рн& 3.16. Аммиачный вертн. 1cдльнь由 холодильный компрес- сор Линде (чтобы избежать. 济咏以 аммиака через сальни- кн, использован хитрый прием: поД поршнями помещена за- порная жидкость - масло； колпак / служит для компен- рдции изменения уровня масла при работе поршней)
К 80-90-м годам прошлого века фирмы, выпускающие холодильные машины, возникали одна за другой -ив Европе, и в США; их продукция распространилась по всему миру.
В это время воздушные машины исчерпали на уровне маши ностроительной техники тех лет свои возможности, а парокомпрессионные сначала догнали их по экономичности, а потом и превзошли. Их последние модели были компактнее, имели лучшие энергетические характеристики, особенно в области умеренно низких температур до - (10+20)℃*・
Как и должно быть в таких ситуациях, борьба двух направлений техники велась не только на потребительском рынке, но и в острых научно-технических дискуссиях. Они шли и в научно-технической литературе, и на съездах, и на конференциях. Доводы о преимуществах паровых холодильных машин перед газовыми выдвигались еще в конце 60-х годов. Однако сторон*
ники газовых машин успешно защищались. В частности,叫 указывали (например, уже упоминавшийся Кирк) на огне. & взрывоопасность хладагентов паровых холодильных мащ^н Кроме этого, столь же справедливо говорилось в дальнейшей и о ядовитости новых хладагентов (SO2 и NH3) и их корродиру. ющем действии на конструкционные материалы. Все это было справедлива Однако сторонники паровых машин не отступали, Среди них был и К. Линде, который выступил на эту тему на у^е упоминавшемся конгрессе пивоваров в Вене. В частности Линде указал на громоздкость газовых машин, связанную с большим объемом перекачиваемого газа, и необходамость иметь две машины (компрессор и детандер) одна из которых к тому же работает при низких температурах. Кроме того, был неопровержим главный довод - намного больший расход энер. гии у газовых машин. Что касается неприятных свойств хладагентов, то устранение связанных с ними неприятных последст- вий - дело техники: нужно (и можно) устранить утечки и выбрать нужные конструкиионные материальь
В конечном счете победили и завоевали большую часть рынка парокомпрессионные холодильные машины, хотя нашлось место для газовых и других, изобретенных в это же время и позже. Однако, прежде чем верщ^ться к ним в гл. 6, нужно уделить внимание и криогенной технике.
я
Г лава четвертая{
ОТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ФИЗИКИR
К КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКЕ"1
(вторая половина XIX « начало XXв.)：］
Нет ни одного научного открыш» которое рано или поздно не пол>чил(Мы практического применения*
Ф。ЖолмО'Кюри
КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА ДОГОНЯЕТ ХОЛОДИЛЬНУЮ
Основные направления холодильной техники к 80-м годам прошлого века вполне сформировались. В связи с интенсификацией международной торговли и ростом городов нарастала потребность в крупномасштабных перевозках и длительном хранении пищевых продуктов. Накопился и существенный
инЖенерный опыт конструирования и эксплуатации холодиль- ных машин. Все, что необходимо дая развертывания широко- го промышленного производства холодильной техники, было подготовлено. Другими словами, холодильная техника вышла на линию крутого подъема 5-кривой.
Совсем иная ситуация была в криогенике. "А，ладшая сест- ра”, как ее долгое время называли холодильщикид к началу 80・х годов5 хотя и подавала большие надежды, еще очень мало уМела по сравнению со э?старшей!5. Температург при которых происходит ожижение кислорода и азота, удалось достигнуть в опытах Кайете и Пикте- Это разрушило ,5психологический барьер"; было доказано5 что такое ожижение возможно^ Одна- к0 до практического применения температур ниже -<140Я50)℃, как и ожижения ^постоянных55 газов, было еик далеко. Исследования в этой области пока интересовали больше физиков, чем инженеров, не говоря уже о потенииальных потребителях
такого рода продуктов.
Тем не менее результаты Кайете и Пикте дали сильный толчок работам в области ожижения ,5постоянных?5 газов. Нужно было ,5только5> для начала хотя бы ожижить кислород или азот, но так, чтобы получить их не только в устойчивом состоянии, но и в количествах, позволяющих изучить их свойства. Попросту говоря, нужно было иметь сосуд； в котором, как в стакане с водой, плескался бы хоть какой-нибудь ожиженный газ из шестерки "не门口ддаюгцнхс兄”*
Первыми, кто решил эту задач>\ оказались, как это ни странно на первый взгляд, не кто-либо из членов Лондонского Королевского общества, Парижской академии или другого прославленного научного сообщества, Имг ста.пи два еще мало известных польских профессора: Зигмувд Броблееский и Кароль Ольшев- скиМ из Краковского университета.
Чем же объяснить； что на востске Европы, в стране.» кото・ Ра^ в то вре?^я не сущестаонала в качества самостоятельно- 「。государства, в университете, который не имел сложившейся научной школы, стал возможен такой рывок? Ведь ожижение кислорода и азота〉которое осуществили в 1883 г. Вроблевский н Ольшевский, было крупной научной сенсацией, всколыхнув- 山喇 ученый мир!
Разумеется, это не было случайностью» Как всегда в таких Убытиях, здесь удачно сочетался целый ряд факторов, сов-
местное действие которых и дало, на первый взгляд, неожид^ ный результат. Разобраться в них и поучительно, и интересы^ Определяющую роль, конечно, сыграли выдающиеся личн^ качества как Вроблевского, так и Ольшевского; они хоро^ дополняли друг друга. Первый обладал, прежде всего, высоко^ физической интуицией, основанной на фундаментальноц подготовке. Хотя он и имел опыт экспериментатора, эта сторо. на не была определяющей. Второй, напротив, был выдающимся мастером в области экспериментальной техники, что, разумеем ся, сочеталось с широким научным кругозором, особенно в об. ласти низких температур.
Другим немаловажным фактором были традиции и общая обстановка, дух Краковского (Ягеллонского) университета, Этот один из старейших университетов Европы был основан королем Казимиром еще в 1364 г., а затем реорганизован по образцу Парижского Владиславом Ягайло, откуда и получил свое название. Хотя в XIX в. он не считался одним из самых передовых в Европе по естественным наукам, еще жили и под* держивались традиции, связанные с именем самого Н. Коперника, который учился в нем с 1491 по 1495 г. Руководители ин< ститута стремились возродить славу университета и поддерживали то, что могло ей способствовать. Важно и то, что Краков издавна находился в центре наиболее промышленно развито* го района Польши и даже после ее раздела имел определенную автономию ("Краковская республика", существовавшая до 1843 г.).
Все эти обстоятельства отражались на характере препода вания естественных наук и направлении исследований в уни- верситете.
Наконец, еще одним немаловажным фактором, способствовавшим успеху работ Вроблевского и Ольшевского, являлось международное научное сотрудничество, проявившееся в тех разнообразных знаниях и опыте, которые они получили в ра личных научных школах Европы, Из приведенных далее * дений из биографий каждого из них видно, в скольких универ ситетах и лабораториях они учились и работали, не говоря ум® о международных научных связях, которые постоянно g поддерживались.
Биографии как Вроблевского, так и Ольшевского, несмот^ на существенное различие их судеб, объединяет участие в М ном общем событии 一 Польском освободательном восстань 1863 R 106
После третьего раздела Польши между Австрией, Пруссией М Россией в 1795 г. она перестала существовать как самостоятельное государство. Юго-западаая часть Польши, в том чис- ле район Кракова, отошла к Австро-Венгрии, восточная и центральная с Варшавой - к России, а западная - к Пруссии.
Борьба за восстановление Польского государства неодао* кратно приводила к восстаниям. Все они закончились неудачно. Самыми крупными из них были три 一 в 1794 г. (восстание под руководством Костюшко), в 1830 г. ив 1863-1864 гг.
И Вроблевский, и Ольшевский участвовали в восстании 1863 г., и на их жизненном пути это сильно сказалось, но по-раз
ному-
Зигмунд Вроблевский родился в 1845 г. в Гродао. В 1862 г. после окончания гимназии с серебряной медалью он поступил на физико-математический факультет Киевского университе* та. В это время Киевский университет Святого Владимира, основанный в 1834 г., был одним из крупных научных центров России. Казалось, все шло хорошо, по намеченному пути. Однако следующий, 1363 г* стал переломным в его судьбе. Находясь в Гродао, он принял участие в январском восстании. После его разгрома царскими войсками Вроблевский был арестован и просидел 16 мес. в тюрьме - сначала в родном городе, а затем в Варшаве. Судом он был приговорен к ссылке в Томск, куда был отправлен по этапу. В Томске Сигизмунд Антонович, как его звали в русском варианте, провел четыре года - с 1863 по 1868 г. Поддерживал свое существование на сносном уровне он тем, что давал уроки. Одновременно он учился и сам： Томск был единственным в Сибири университетским городом, и молодой поляк пользовался симпатией и поддержкой местной интеллигенции. По ходатайству родителей "государственный преступник Bpo6neBCKHif, был переведен ближе к родине - в уездный городок Казанской губернии Цивильск. Пребывание здесь было, пожалуй, самым трудаым временем ссылки; несмотря на большую относительно Азии близость к Европе, жизнь в затхлой провинциальной обстановке Ци- вильска была после Томска очень тяжела, тем более что в ^Рьмах Вроблевский повредил зрение, и болезнь прогрессиро-
Наконец, в 1869 г. по манифесту Александра II он был по- ^Илован и вернулся в Варшаву. Следующий год он провел в еРлине, где знаменитый офтальмолог Грефе сделал ему две 0ПеРации и частично восстановил зрение. После этого мож-
Рис. 4.2. Кароль ОльшевскийРис. 4.2. Кароль ОльшевскийРис. 4.1. Зигмунд ВроьлевскииРис. 4.1. Зигмунд Вроьлевскиивниматель^вниматель^юноН’юноН’
Рис. 4.2. Кароль Ольшевский
Рис. 4.2. Кароль Ольшевский
Рис. 4.1. Зигмунд Вроьлевскии
Рис. 4.1. Зигмунд Вроьлевскии
вниматель^
вниматель^
юноН’
юноН’
НО было вернуться к изучению наук - теперь уже в Берлинск(» университете. Жил студент Вроблевский в бедности, поддержи ваемый небогатыми родителями и литературными зарабсп ками (писал' научно-популярные статьи для русской газеп "Сын Отечествам).
Склонность к научной работе проявилась у Вроблевскоп еще во время пребывания в ссылке. В Цивильске (ему было; это время 23 года) он разработал свою собственную космогони ческую теорию, в которую вложил много сил и энтузиазма По приезде в Германию он первым делом представил ее на су" корифеев науки. Теория Вроблевского была, по-видимо^, не очень удачной, и это вполне естественно. Ее автор еще не имел достаточных знаний, а Цивильск был не самым подходящи» местом для такой работы, требующей научных консультани и обсуждения. ,
В августе 1871 г. Вроблевский представил эту 啜％ Гейдельберге знаменитому физику, профессору Кирхгоф^, рый, однако, не пожелал "заниматься этими глупостями Следующий этап был в Бонне у еще более знаменитого профе。 сора Клаузиуса, где прием был еще менее благосклонны^ Будь на месте Вроблевского кто-нибудь другой, на этом № нейшая борьба могла прекратиться. Но он решил все же с^ лать еще одну попытку и обратился в Берлине к третьей
не менее знаменитому профессору Г. Гельмгольцу* В отличие от своих ученых коллег, Гельмгольц
прочитал записку Вроблевского и смог разглядеть за 108
кнми фантазиями и горяшюстью задатки незаурядного ис- ^едователя. Он не сделал никаких резких замечаний, а пред- до*мл Вроблевскому поработать в его лаборатории и указал на ряд опытов, могущих прояснить дело. Это спокойное и до6・ оЖелательное отношение помогло Вроблевскому без психоло- гйческой травмы понять свои ошибки, "спуститься с небес на землюи и всерьез заняться физикой. Два семестра он ра- ботал в лаборатории Гельмгольца и прошел там школу, кото・ рая превратила юного революционера и ниспровергателя устаревших астрономических теорий в настоящего физика- экспериментатора1 .
С этого времени начинается стремительный научный рост 3. Вроблевского. Он переселяется в Мюнхен и в 1879 г. сдает экзамен и получает степень доктора философии ” summa sum laude” 2. Затем он становится ассистентом кафедры физики в Страсбургском университете, где делает работу по диффузии газов, заслужившую лестный отзыв самого Максвелла в авторитетнейшем английском журнале ^Nature^. После этого он был приглашен на кафедру физики Ягеллонского университета, при поддержке членов которого был предварительно командирован на год в Париж, в Высшую Нормальную школу (самое престижное высшее научное учебное заведение Франции, готовящее преподавателей и научных работников). Здесь он работал у профессора Сен-Клер Девилля с установкой Кайете, изучал поведение СО2 при низких температурах и взаимодействие его с водой. С этого времени Вроблевский породнился с физикой и техникой низких температур и остался верен им до самой смерти.
Читатель, возможно, обратил внимание на то, что в книге нигде не встречаются слова ^еный** применительно к человеку, профессионально занимающемуся научной работой. Автор действительно исключает такую Титовку этого слова. Ученый - это просто человек, которого много учили.
Ультат такого учения может быть самым разным. Поэтому ученость и :"Мноств к творческой научной работе — далеко не всегда совпадают. Как в吗ил академик Ландау: **Ученым может быть и пудель". Английское слово ^ 伍 science — наука) больше подходит, но, к сожалению, в русском языке 「ичного термина пока нет.
№ Степень доктора философии означала принадлежность к достойным хвал«'： она соответствовала примерно нашему кандидату наук.
109
2 для ожижения кислорода2 для ожижения кислородаРис"3 Установка ВроблевскогоРис"3 Установка Вроблевского"Дюкрете". Она была закуплена Вроблевским, некоторый опыт работы с ней.Началась интенсивная совместная работа, и уже в начале ведуюгцего, 1883 г., желаемый результат был достигнут. Впер- вне в истории 29 марта 1883 г. был получен жидкий кислород.工 Вроблевский и К. Ольшевский сделали, по существу, Епвко один шаг вперед относительио своих предаествен* ников, но это был шаг, обеспечивший принципиальное измене- “не, качественный скачок.В чем же было отличие их аппаратуры от тех установок, которыми пользовались Кайете и Пикте? Чтобы это поиять, Проще всего рассмотреть устройство первого из сконструирован- М ими аппаратов (рис. 4.3)."Дюкрете". Она была закуплена Вроблевским, некоторый опыт работы с ней.Началась интенсивная совместная работа, и уже в начале ведуюгцего, 1883 г., желаемый результат был достигнут. Впер- вне в истории 29 марта 1883 г. был получен жидкий кислород.工 Вроблевский и К. Ольшевский сделали, по существу, Епвко один шаг вперед относительио своих предаествен* ников, но это был шаг, обеспечивший принципиальное измене- “не, качественный скачок.В чем же было отличие их аппаратуры от тех установок, которыми пользовались Кайете и Пикте? Чтобы это поиять, Проще всего рассмотреть устройство первого из сконструирован- М ими аппаратов (рис. 4.3).который имелкоторый имел
2 для ожижения кислорода
2 для ожижения кислорода
Рис"3 Установка Вроблевского
Рис"3 Установка Вроблевского
"Дюкрете". Она была закуплена Вроблевским, некоторый опыт работы с ней.
Началась интенсивная совместная работа, и уже в начале ведуюгцего, 1883 г., желаемый результат был достигнут. Впер- вне в истории 29 марта 1883 г. был получен жидкий кислород.
工 Вроблевский и К. Ольшевский сделали, по существу, Епвко один шаг вперед относительио своих предаествен* ников, но это был шаг, обеспечивший принципиальное измене- “не, качественный скачок.
В чем же было отличие их аппаратуры от тех установок, которыми пользовались Кайете и Пикте? Чтобы это поиять, Проще всего рассмотреть устройство первого из сконструирован- М ими аппаратов (рис. 4.3).
"Дюкрете". Она была закуплена Вроблевским, некоторый опыт работы с ней.
Началась интенсивная совместная работа, и уже в начале ведуюгцего, 1883 г., желаемый результат был достигнут. Впер- вне в истории 29 марта 1883 г. был получен жидкий кислород.
工 Вроблевский и К. Ольшевский сделали, по существу, Епвко один шаг вперед относительио своих предаествен* ников, но это был шаг, обеспечивший принципиальное измене- “не, качественный скачок.
В чем же было отличие их аппаратуры от тех установок, которыми пользовались Кайете и Пикте? Чтобы это поиять, Проще всего рассмотреть устройство первого из сконструирован- М ими аппаратов (рис. 4.3).
который имел
который имел
С 1882 г. он был избран заведующим кафедрой физики 5{г^ лонск ого университета.
Кароль Ольшевский родился в Броникове (Галиция) на ^ позже Вроблевского - в 1846 г. Это обстоятельство сыграло в его судьбе важную роль; он был слишком молод, чтобы приняв
активное участие в восстании 1863 г. Только, еще буду^ гимназистом, он стал членом подпольной организации, г% вящейся к восстанию. Поэтому Ольшевский лишь ненадолго был посажен австрийской полицией в Краковскую тюрьму,晞 вскоре был отпущен и вернулся в гимназию, чтобы ее закон чить. Этот краткий эпизод не идет ни в какое сравнение с тец что пришлось выдержать Вроблевскому. И в дальнейшем, к& мы увидим, жизнь Ольшевского складывалась менее драмати^. но, чем у его коллеги (в чем, естественно, нет никакой 6rt вины).
Он поступил в Ягеллонский университет. Уже там на него как на способного студента, обратил внимание директор химической лаборатории, который предложил ему быть демонст ратором опытов. Затем Ольшевский стал ассистентом и, получив стипендию, отправился повышать квалификацию в Гейдельбергский университет, где слушал лекции Бунзена и Кирхгофа (это был тот самый Кирхгоф, который отказался заниматься "глупостями” Вроблевского). В Гейдельберге Оль шевский стал доктором и, возвращаясь в Краков, побывал в научных лабораториях Германии и Австрии. В 1876 г. он становится профессором, а затем - заведующим кафедрой химии ЯгеЛлонского университета.
Еще до перехода Вроблевского в университет Ольшевски!! более 10 лет работал над усовершенствованием лабораторно го оборудования, в том числе и низкотемпературного, прел назначенного для ожижения газов, и приобрел в этой чаЕ большой опыт. Когда в 1882 г. в университете появился нсвМ заведующий кафедрой физики, между двумя молодыми 陋 фе ссорами (одному было 35, другому - 36 лет) сразу же устан° вился тесный контакт. Они - теоретик, понимавший зкспе римент, и экспериментатор, владевший теорией, - хоро^[ дополняли друг друга, и оба стремились ожижить кислор^ до получения жидкости, а за ним и другие ^постоянн^ газы.1
шшБазой для экспериментов послужила установка Кайе1c i которая уже выпускалась в это время в Париже фирМ° 1 110
ш
ш
Кислород, предназначенный для ожижения, находится 口。力 давлением в баллоне А. При открывании вентиля с . он мор быть направлен в небольшой сосуд - ампулу л, служащую 硒 его ожижения* Давление кислорода в ней, измеряемое мано. метром, можно посредством вентиля с поддерживать на ну*. ном уровне. Ампула л помещена в двухстенный цилиндр т, который через вентиль h может подаваться жидкий хладаге^ (в данном случае этилен) из баллона /, погруженного в смесь льда с NaCL Дальнейшее охлаждение этилена происходи "смеськ? Тилорье” СО2 + (С2Н5)2О в змеевике, находащемся в сосуде g・ Если это охлаждение необходимо произвести под вакуумом, то газ откачивается насосом через трубку о. Жидкий этилен, окружающий сосуд п, кипит под вакуумом, так как его пары откачиваются через трубку i Вакуумметр к измеряет дав ление пара этилена и таким образом дает возможность точно знать температуру кипящего этилена. Если это давление соответствует 3,3*1。-' МПа (235 мм рт. ст.), то температура будет примерно -13б℃, а при 1?Зе10~4 МПа (1 мм рт.ст.) она будет около -152℃9 Очевидно, что кислород в ампуле а легко ожижится при сравнительно невысоком давлении до 2 МПа, что и про изошло-
Предание говорит, однако, что этот долгожданный момент наступил не сразу6 Истомившись от ожидания, Вроблевский н Ольшевский решили пойти в кафе； оставив у аппарата свою помощников, и когда вернулисьг увидели, что победа, наконец пришла! Экспериментаторы наблюдали, как на стенках ампулы п образуются мелкие капли жидкого кислорода, стекаю* щие вниз и собирающиеся на дне. Можно представить, что они при этом чувствовали!
Полученную жидкость через трубку, открыв вентиль d, можнс слить в открытый сосуд L Часть ее при дросселировании Дс атмосферного давления испаряется, но оставшееся количество вполне достаточно для исапедования.'
Из описания ясно видны отличия установки Вроблевскогс и Ольшевского от устройства их предшественников. Одно 曲 них имеет своеобразный характер: польские исследовав отказались от обоих основных способов внутреннего охлаж№ ния - и дросселирования газа, которое применял Пикте, адиабатного расширения по Канете, В определенном смы^ это был шаг назад, поскольку в дальнейшем техника оиси^6 ния газов пошла по направлению использования именно з『" ш
ух принципов (а холодильная техника к этому времени уже Годностью перешла на них). Однако это был такой шаг назад, который позволил сделать тут же более мощный рывок впе- ед・ Он дал возможность сосредоточить силы на старых, ис- Зытанных еще Фарадеем способах - растворении и испарении ° ”вьгжать” из них намного больше, чем удавалось раньше. Ес- j1M отвлечься от второстепенных деталей, то станет очевид- ным, что причина ^полуудачи^ и Кайете, и Пикте состояла в
rm, что температуры испарения хладагентов в ступенях предварительного охлаждения были недостаточно низкими. Для того чтобы добиться цели, нужно было намного понизить давление отсасываемых паров. В конечном счете еще сущест- вовал и действовал оставшийся от прежних времен стереотип: «сильнее сжать, а охлаждением помочь?,. Вроблевский и Оль
шевский его преодолели, глубже поняв работы Менделеева и Эндрюса. Действуя по обратному принципу - "сильнее ох
ладить, а давлением помочь"*, они достигли положительного
результата.
Секретарь Парижской академии, тот же Дебре, который первым узнал о результатах Кайете и Пикте, 9 апреля 1883 г. получил телеграмму： ,?Жидкий кислород получен, он бесцветен, как угольная кислота \ через несколько дней получите сообщение”.
Надо заметить, что в определении цвета жидкого кислорода его ?,родители?, ошиблись. Он на самом деле голубоватый, а в толстом слое имеет очень красивую интенсивно голубую окраску. Но, располагая малым количеством жидкости, ее можно и не увидеть.
Вроблевский и К. Ольшевский сделали 16 апреля совместный доклад на собрании Парижской академии. Их достижение, таким образом, было официально признано научным сообществом.
Вернувшись в Краков, они, окрыленные успехом, ”с ход/9 решили ожижить еще два ,?неподаающихся5? газа - азот и оксид Углерода. Но из этого ничего не получилось. Нужна была более низкая, чем для кислорода, температура, и кипящий этилен уже не годился. Но Вроблевскому пришла мысль использовать для этой цели полученный жидкий кислород, со-
здавая вакуум уже над ним. Аппаратуру быстро доработал^ через две недели был сконденсирован азот, а затем оксид 八 лерода и воздух. Была даже мечта сделать с кислородом то 鼻 самое, что в 1775 г. произвел В. Гюллен с водой, превратив & в лед.
Однако этого сделать не удалось; до температуры затвер^ вания кислорода (~56 К) было еще далеко.
Совместные работы Вроблевского и Ольшевского, котор^ привели к серии столь крупных достижений, продолжал^ всего полгода; в октябре 1883 г. их содружество неожидан закончилось. Оба стали работать самостоятельно в разн^ лабораториях (первый — в физической, второй 二 в химической), Причина этого разрыва так и осталась неизвестной. Никто 恥 них никогда не высказывал третьим лицам или в печати & ких-либо претензий или тем более обвинений по адресу сво& го коллеги. Не было и довольно часто встречающихся в учены кругах споров о приоритете, в высказывании той или ин做 идеи или в каком-либо открытии, изобретении. Оба они держа лись по-рыцарски.
Вроблевский продолжал интенсивно работать, подготав ливая как экспериментальную, так и теоретическую базу для ожижения водорода и одновременно изучая свойства веществ： в частности электропроводность, при низких температурах Он стал членом нескольких академий и деканом физико-математического факультета. Уже в одиночку он занялся опреде лением критической температуры водорода, что должно было дать в дальнейшем точный ориентир для его ожижения. В ре зультате экспериментов он получил данные для уравнения состояния водрррда. и определил его критическую температу- ру равной 30 К. Это значение, близкое к действительному (~33 К), показывало, что получение жидкого водорода намного труднее, чем азота и кислорода, и что для этого нужна новая аппаратура. Эти последние результаты стали известны из бу маг Вроблевского, когда его уже не было в живых.
Занимаясь поздно вечером в лаборатории, он прилег ogM нуть на диван, возле которого стояла керосиновая ламп& Неосторожным движением во сне он опрокинул лампу на себя и, когда проснулся, был уже объят пламенем. Вроблевск曲 выбежал во двор, где огонь сбили. Были приняты все возмог ные меры, но спасти его не удалось. Через несколько дней “ 16 ацреля 1888 г. Вроблевский умер от последствий ожога.
Ольшевский прожил еще долгие годы (он умер в 1915 г.),
неустанно работая в той же избранной с самого начала облас- тИ и совершенствуя криогенное оборудование со своими помощниками и мастерами. Среди последних особо выделял- 旧 университетский механик В. Гродзинский, организовавший в 90-х годах фирму, изготовлявшую под научным рукоцрдст- вом Ольшевского для многочисленных заказчиков из разных Е&Н лабораторные аппараты для ожижения кислорода, воздуха и водорода. Эти аппараты постоянно совершенствовались л были лучшими для своего времени. К. Ольшевский использовал и все новое, что делалось в других странах, в частности первые работы Линде в области криогеники.
Характерно, что Ольшевский не патентовал свои многочисленные изобретения, используемые в изделиях фирмы; в то время на востоке Европы еще сохранилось убеждение, что истинному ученому не к лицу торговать сво^ли идеями» (Вспомним, что А. С・ Попов тоже не патентовал свои изобретения в области радио, в отличие от Маркони.)
Тем не менее фирма Гродоинского процветала. Обложка одного из ее каталогов показана на рис. 4.4. Фирма просуществовала до первой мировой войны. О ее популярности может свидетельствовать факт, о котором нельзя не упомянуть. Через много лет после описываемых событий, в мае 1932 г-, американское посольство в Варшаве получило письмо одной фирмы (Г. Холуа). В нем было написано: ,5Перед войной в Кракове существовала фирма по производству красивых машин для ожижения таких газов, как воздух, водород и т.д. Я думаю, что она была в сотрудничестве с Краковским университе- том…"Заканчивалось письмо просьбой установить точное название и адрес фирмы для установления деловых связей.
Работы Ольшевского, после отделения от Вроблевского, молено разделить на два этапа: до 1895 г. и после него. На пер- вом этапе он использовал и совершенствовал уже проверенные
методы, основанные на испарении ожиженных газов под ваку- Жом. Здесь он добился двух важных результатов.
Первый из них относится к попыткам ожижения водорода. Егце до смерти Вроблевского, в 1884 г.5 как он, так и Олылевс- 皿总,каждый независимо один от другого, сделали попытки °^ижить водород, сочетая идею Кайете, основанную на расши- Реним ожижаемого газа с отдачей внешней работы с интенсив» Н&М испарительным охлаждением. Аппаратура была сходаа
115
患師朦вал券и；券и；豔曜д^у；券通乐券乐働^^^舐臟^噂
W. GRODZICKImEcanicien de l'university, cracovie(AUTRICHE, GAUC1E)
UNIVERSITATS-MECHANIKER, KRAKAU(OSTERRE1CH. GAUZ1EN)
GRODZKA 53.
В
I
SPECiALiTE： APPARE1LS POUR LIQUEFIER L'AIR ET L'HYDROGENE D'APRES M. LE prof. K. OLSZEWSKI.
SPEZIAL1TAT： APPARATE ZUR VERFLUSSIGUNG DER LUFT U. DES WASSERSTOF- FES NACH PROF. K. OLSZEWSKI.
Рис. 4.4. Обложка каталога установок для ожижения В. Гродзинского со ссылкой на проф.К. Ольшевского
воздуха и водорода фирмы
с той, которая была у Кайете. Разница состояла в том, что предварительное охлаждение делалось не испарением SO少 как у Кайете, а кипящим под вакуумом кислородом. Это дало возможность Ольшевскому понизить "стартовую” температуру до -198℃ (75 К). У Вроблевского она составляла -182°С (91 К), так как он кислород испарял без вакуума. Начальное давление сжатого водорода было 10 МПа в опытах Вроблевско- 116
г0 й 19 МПа в опытах Ольшевского. Оба утверждали, что в кон- ие расширения водорода наблюдали появление тумана, свидетельствующего об ожижении водорода.
результат Ольшевского стал причиной довольно длитель- н。近 дискуссии о приоритете в ожижении водорода между ним н англичанином Д. Дьюаром, который в 1898 г. (о нем речь впе・ редй)получил водород в виде жидкости в сосуде.
В конце концов через много лет в дискуссии появилось промежуточное решение, удовлетворившее и польскую, и британскую стороны: Ольшевский первым получил жидкий водород в виде тумана (в ^динамическом состоянии”)，а Дьюар 一 первым в виде жидкости (^статическое состояние"). Повторилась та же ситуация, что и при ожижении кислорода: Пикте и Кайете получили жидкий кислород в виде тумана, а Вроблев- ский и Ольшевский - в виде жидкости.
Так или иначе, несомненно, что в этих опытах польские исследователи, аналогично Пикте и Кайете, сделали новый, хотя и кратковременный, но намного более глубокий рейд в область криотемператур, выйдя уже к уровню температур ниже 30 К. Для того времени это был рекордный результат.
Другим достижением, вернее двумя достижениями, Ольшевского в этот период было первое ожижение, а затем и замораживание вновь открытого газа - аргона. Его обнаружили в воздухе английские физики Дж. Рэлей и В・ Рамзай в 1894 г・
Может показаться странным, что этот элемент, содержащийся в воздухе в солидном количестве (объемная доля составляет 0,912% или массовая доля 一 1^8%), оставался так долго неизвестным. Дело в том, что, будучи химически инертным (отсюда и название - аргон по-гречески ^ленивый55), он 5,пря- тался!, за азотом, и только спектральный анализ помог его выявить. Началось активное изучение свойств нового вещества; в том числе нужно было и определить его критическую температуру, и попытаться перевести в жидкое состояние. Нужно было обратиться к специалисту в области низких темпера- тур, имеющему соответствующее оборудование. Таких людей ^ыло двое - коллега Рэлея и Рамзая по Лондонскому Королев-
асому обществу Д. Дьюар (о котором речь впереди) и К. 0幺 шевский в далеком Кракове. В* Рамзай выбрал Ольшевског0 Немалую роль сыграло и то обстоятельство, что Рамзай и Дью寸 были в очень тяжелых отношениях. Д. Дьюар, хотя и мог т。*© решить задачу, но имел совершенно несносный, тяжелый &. рактер; помириться с ним было трудно. В. Рамзай решил с ни^ не связываться. Он послал в Краков письмо и драгоценную стеклянную ампулу с 300 см3 аргона. К. Ольшевский немедлен, но принялся за работу.
В статье о ее результатах он писал: ИЯ провел тксперимен. ты по его (аргона - В, Б) свойствам при низких температурах и высоких давлениях, чтобы пополнить, хотя бы частично, зна・ ния об этом интересном веществе”.
Прибор, который использовал Ольшевский, был относитель но несложным* Аргон, подлежащий сжатию и охлаждению, подавался посредством столбика ртути из мерного сосуда в трубку, погруженную либо в жидкий этилен, либо в жидкий кислород (в зависимости от нужной температуры криостати- рования). Откачкой пара какой-либо из этих жидкостей устанавливалась нужная температура аргона.
На этом приборе Ольшевский не только получил жидкий ар* гон и определил температуры его кипения при разных давлениях, в том числе и критическую, но и заморозил его при Г =84,5 К (-189,6℃).
Это было крупным достижением. Впервые один из "пост。冗н・ ныхэ, газов был переведен в твердое состояние. Судьба аргона в этом смысле была печальной. Другие "неподдающиеся” газы, давно известные, еще не покорились - до получения твердых кислорода, азота и оксида углерода еще было далеко. А аргон был покорен почти сразу после открытия!
Этим крупным достижением завершился первый период самостоятельной работы Ольшевского.
Второй период наступил после 1895 г., когда Линде и Хдмп・ сон осуществили свои ожижительные дроссельные установки, начав тем самым новое, перспективное направление в криогенике. К・ Ольшевский быстро понял заложенные в нем возможности и создал на основе синтеза этих идей со своими
зработками целую серию новых, более эффективных лабо- Р” орннх ожижителей газов. Они были самыми лучшими из Р ех тогда существовавших, и исправно служили науке в Вене, 之 /не, Лейпциге, Праге, Мюнхене, Бонне и даже в Токио.
работал Ольшевский и над ожижением водорода, чтобы по- 仆屛丛 его, как и кислород, в статическом состоянии. Он до- бнлсн и этой цели, но слишком поздно; Д, Дьюар опередил erOj ^первые ожижив водород в 1898 г. Через год после смерти Ольшевского в 1913 г. началась первая мировая война. Достой- н0Г0 преемника, способного в этих трудных условиях продол- 冰нть традиции краковской научной школы, не нашлось; все ее работы были прекращены, а сохранившееся оборудование отправлено в музей.
ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗЫВАЕТ СВОИ ВОЗМОЖНОСТИ
В КРИОГЕНИКЕ
Дальнейшее развитие криогеники связано с именем Карла Линде, того самого, который фигурировал в предыдущей главе как человек, не только создавший наиболее совершенные для своего времени паровые холодильные машины, но и впервые разработавший основы их теории, а также организовавший массовое их производство.
Всего этого с избытком хватило бы для того, чтобы занять почетное место в истории науки и техники низких температур. Однако Линде на этом не остановился. Вторую половину своей творческой жизни он посвятил криогенике, делавшей в 90-е годы первые шаги.
Расставшись в 1891 г. с заботами главы фирмы, он вернулся в Мюнхен. В своем жизнеописании Линде писал об этом так: "Мои мысли уже долгое время были заняты новыми открытиями в области более низких температур, которые необходимы Для ожижения "постоянных” газов. Обзор этих открытий я дал в докладе ”06 ожижении газов", представленном Политехническому обществу".
Далее Линде четко сформулировал новую цель, которую мог □оставить перед собой на основе этого аналитического об- з°ра: "Еще отсутствовал прямой путь из лаборатории естествоиспытателя к производству, и отыскание такого пути стало Моей ближайшей задачей. Летом 1894 г. я нашел генеральную пинию ее решения и взялся за дел。”.
Эта "генеральная линия”, как мы увидим дальше, дале^ не сводилась к перенесению имеющихся научных достижен^ в промышленное производство* К, Линде несомненно 口。^^ мал, что это было бы не просто сложной задачей, а задачу невыполнимой. Имевшийся "научный задел,J, при всей его зн* чительности, не годился для этого. Речь шла и о принципиаль. но новых, именно научных, решениях, без которых путь к 咏 изводству не был бы открыт. Линде понимал трудности, кото, рые его ожидали. Он писал далее: 55Меня одолевали размытле. ния 一 найдет ли оставшаяся работоспособность 一 мне не было тогда еще 50 лет - здесь лучшее применение в связи с жела. нием вернуться к научной деятельности”.
Так Карл Линде снова приступил к преподаванию в Мюн* хенском политехническом институте и одновременно начал двигаться по намеченной ^генеральной линии”.
Как опытный инженер он понимал, что путь, по которому шли его предшественники от Фарадея до Ольшевского - одно кратное использование охлаждающей смеси и испарительного охлаждения, исчерпал себя. Нужно было переходить к непрерывному* циклу 一 методу, уже проверенному в холодильных машинах. Но холодильный цикл не в состоянии дать очень низкие температуры, так как одно рабочее тело не может конденсироваться при температуре окружающей среды То.с и испаряться в той же машине при температуре ниже -50℃, в крайнем случае -60℃.
Так, например, аммиак, конденсирующийся при 1^ с = 20 ℃ (293 К) под давлением около 0,8 МПа, может дать в испарителе холодильной установки температуру 228 К (-45℃)t если компрессор сможет откачать пар до тех пор, пока давление в испарителе не станет равным 6Л0~3 МПа. Далее двигаться нельзя не только потому, что давление будет слишком низким, но и потому, что аммиак замерзнет (температура тройной точки 41T = 195,4 К, т.е. около -18℃).
Поскольку никакой хладагент "в одиночку53 не может в па- рокохтрессионной холодильной установке перекрыть интервал температур от окружающей среды до жидкого воздуха и тем более водорода (он составляет 200℃ и более), напрашивается мысль о каскаде - нескольких холодильных установках, объединенных в один агрегат. Тогда каждая из них отводила бы тепло на определенном уровне и передавала следующей, расположенной выше. Эта идея, впервые частично реализован- 120
ная Пикте в 1877 г., была хотя и рассмотрена сначала Линде, но затем отвергнута, поскольку он нашел более простое и иадежное решение1. Оно было основано на синтезе идеи В. Сименса о регенерапии, относящейся к 1857 г„ развитой в 1885 г. Сольвеем (которая описана в гл. 3) с комбинированным компрессионным циклом. В нижней, холодной его части использова- лы два элемента парокомпрессионного цикла: холодопроизво- ^щей 一 дроссель и испаритель, а в верхней, более теплой (вернее, менее холодной) 一 элементы газового цикла 一 генера- тор и компрессор с охладителем. Поэтому такой цикл, пе- рекрываюодий всю низкотемпературную область 一 от окружающей среды до жидкого воздуха (а впоследствии и до жидких водорода и гелия), называется газожидкостным. Такой 55гибрвд- ный55 процесс оказался на удавление здоровым и жизнеспособным и, мало того, занял на долгие годы ведущее положение в криогенике* В дальнейшем он с полным основанием был назван циклом Линде.
На рис. 4.5, а показана схематически установка Линде, на которой он впервые реализовал свою идею, а на рис. 4-5, 6 - схема в современных обозначениях.
в 1908в 1908Воздух поступает из атмосферы по трубопроводу и в поршневом компрессоре сжимается до высокого давления (〜20 МПа). При этом он, естественно, нагревается. Чтобы охладить воздух до 几储｝ используется водяной холодильник, в котором тепло сжатия отводится водой. Далее сжатый воздух поступает во внутреннюю трубку теплообменника, где охлаждается идущим навстречу (противотоком) холодным воздухом, оставшимся неожиженным. Охлажденный сжатый воздух дроссе- лируется в вентиле 4, где расширяется. В результате дроссель- эффекта происходит снижение температуры потока воздуха и частичное его ожижение. Жидкий воздух собирается в сосуде 5$ а пар отводится через кольцевое пространство между наружной и внутренней трубками теплообменника. Там он нагре- ваетс貝 встречным потоком сжатого воздуха и снова поступает в компрессор, где к нему присоединяется воздух, всасывае- MuS из атмосферы. Количество этого воздуха равно тому, кото- Р°е отделяется в виде жидкости в сосуде 5 и отводится как
в 1908
в 1908
Нвоньзо 现Нвоньзо 现г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес, о котором речь впереди.
Нвоньзо 现
Нвоньзо 现
、ал модернизированный каскад для первого ожижения гелия.
a)刃 К
Рис. 4.5. Схема первой установки Линде для ожижения воздуха:
а - конструкция; 6 - схема; 1 - компрессор； 2 - водяной холодильник; 3 - теп* лообменник; 4 - дроссель; 5 - отделитель жидкости; 6 - кожух с тепловой изо* Ляцией; 7 — слив Жидкого воздуха,
конечный продукт. Холодная часть аппарата была заключена в деревянный ящик 6, набитый тепловой изоляцией.
Проследим, как протекал процесс в установке Линде, начиная с момента ее запуска, используя схему на рис. 4.5. Первая порция сжатого воздуха поступала из компрессора в теплообменник при температуре окружающей среды 几工 и ПРЙ тех же параметрах доходила до дроссельного вентиля. Здесь в результате дросселирования она охлаждалась примерно на АТ = 50℃; следовательно, температура этой порции воздуха после расширения будет равна 20*50 = -30℃. Этот холодный воздух, пройдя через отделитель жидкости, возвращался в обратную линию менее холоцным, так как охлаждал металл от・ делителя и трубопроводов. Примем для примера, что его температура стала -25℃. Двигаясь в теплообменнике навстречу новой порции поступающего сжатого воздуха, он охлаждав^ его, а сам нагревается. Этот процесс, естественно, не идеала
仙
力 и выходящий воздух нагревается, скажем, до +15℃, т.ё. % АТр&сш = 25 + 15 = 40℃. Прямой поток охладится за счет об- * хного, но не на 40℃а а меньше, по двум причинам. Во-первых, ^плоемкость сжатого воздуха больше, чем расширенного; во* вторых, часть холода пойдет на охлаждение трубок. Примем значение этого охлаждения ДТСЖ = 25℃. Значит, следующая пориия сжатого воздуха перед дросселем будет иметь темпе- туру 20-25 «-5℃. После дросселирования она станет -5+(-50)= =_55℃, т.е. вторая порция обратного потока будет более холодной, чем первая (которая имела температуру -30℃). Соответственно, двигаясь противотоком новой порции воздуха, она снизит и его температуру перед дросселем примерно 口о -70℃. После дросселирования она станет уже -120℃ и т.д.
Таким образом, температура перед дросселем будет посте- пенно понижаться до тех пор, пока после дросселирования
нанане появится жидкий врздух. Тогда процесс постепенно
на
на
чнет замедляться, так как обратный поток будет становиться меньше прямого (часть воздуха ожижится и в обратный поток не пойдет). В конце концов наступит равновесие： 5-7% воздуха будет ожижаться, а остальной воздух будет возвращаться через теплообменник. С этого момента установка будет постоянно производить жидкий воздух.
Эта первая установка Линде существенно отличалась от изящных лабораторных приборов Ольшевского не только принципом действия. Она была сделана как заводская машина, с немецкой основательностью и добротностью (только теплообменник весил 1300 кг!). При первом пуске установки в мае 1895 г. температура понижалась медленно и только на третьи сутки достигла уровня, при котором воздух начал ожижаться и накапливаться в сборнике. Правда, на ночь уста- новка отключалась и поэтому частично отогревалась в резуль- тате теплопритока извне, через изоляцию.
Однако это были детали, которые можно было доработать. Главное было сделано - впервые была создана установка ^ошеломляюще простая по сравнению с существующим。”, как написал Линде), позволяющая получать непрерывно жидкий ，здух в количестве, равном десяткам литров. Сотрудники "н^е носили жидкий воздух ведрами! Это был сенсационный Успех. Летом 1895 г. Линде доложил о своей работе и ее резуль- ?тах на правлении Союза немецких инженеров. Одновремен- 0 °н совершенствовал свою установку, уменьшив массу теп- °6менного аппарата в 2 раза. Патентовать ее заранее он не
спешил, так как обнаружил, что во время ожижения происха дит и частичное разделение воздуха, что представляло 如 меныпий интерес, чем само ожижение. Он занялся патентов^ нием позже и сделал это лишь 05.06.1895 г.
Английский патент Линде под названием "Процесс и аппа. ратура для ожижения газов и газовых смесей и получения холо, да, в частности, приложимые для извлечения кислорода 砲 атмосферного воздуха^ имел приоритет от 28 июня 1895 г.
В это время англичанин Вильям Хэмпсон работал в том же направлении, что и К. Линде. Он получил похожий английс- кий патент с приоритетом от 23 мая того же 1895 г. под назва. нием 5,Ожижение газов; усовершенствования,5. Установка, описанная в патенте Хэмпсона, имела два существенных от- личия от установки Линде.
Первое, имеющее принципиальный характер, состояло в том, что у Хэмпсона не было четкого указания на процесс дросселирования, а лишь в общей форме упоминалось о расширении газа после охлаждения в теплообменнике. В этом приоритет явно принадлежал Линде, тем более что в мае 1895 г. его установка уже работала. Однако Хэмпсон довольно скоро тоже поставил на своем аппарате дроссель (не ссылаясь при этом на Линде).
Вопрос о том, в каком устройстве - детандере или дросселе производить окончательное охлаждение рабочего тела, име ет значение, далеко выходящее за пределы противоречий между Линде и Хэмпсоном.
Классический подход к созданию охлаждающих устройств, основанных на использовании понижения давления рабочегс тела, как мы уже видели, базировался на расширении с отда- чей внешней работы. На эту идею опирались все создателе воздушных холодильных машин, от Горри до Сименса и Сол>' вея, и это было вполне естественно- Еще до утверждения за кона сохранения энергии было хорошо известно: если газ ежи мать, затрачивая на это работу, он нагревается; если, напротив заставить его расширяться, производя работу, он спльн' охлаждается. Отсюда естественное стремление создать машин? детандер, в которой можно реализовать этот эффект и 口Р" менить его к делу. Главная трудность при этом (и мы к этом) вернемся дальше) состояла в том, чтобы заставить такую ма^ ну надежно работать при низких температурах: чем холоди^ тем труднее.
Другой способ охлаждения, тоже основанный на снижении -вЛения рабочего тела, обратил на себя внимание значительно позже. Только после того, как Джоуль и Томсон откры- 几必 эффект изменения температуры газа при дросселировании, возникла мысль использовать его для охлаждения. Однако относительно малое значение эффекта Джоуля-Томсона и недостаточное понимание его физической природы долгое врем貝 не вызывали энтузиазма у инженеров. Более того, когда были изобретены парокомпрессионные холодальные маши- нн, их создатели не понимали истинной роли дроссельного вентиля. Они считали, что ?,холод получается в испарителе55, где кипит под низким давлением рабочее тело, а дроссель служит просто для снижения давления и регулирования. Такое представление отразилось и в сохранившемся для него 口о настоящего времени названии ^регулирующий вентильи.
Понимание того, что именно дросселирование дает охлаждение, понижение температуры, на котором основана работа системы, а в испарителе лишь реализуется его результат, пришло (да и то далеко не всюду) намного позже.
Значительное влияние на такой подход к дросселированию оказала и термодинамическая трактовка этого процесса, идущая из теплотехники. Действительно, в тепловых двигателях любая разность давлений, создаваемая в результате применения топлива, используется для получения работы в турбине, поршневом или каком-либо другом двигателе. иСтравлива- нием этого давления на любом гидравлическом сопротивле- нии - это прямая потеря работы, с которой нужно бороться всеми силами. В теплотехнике дроссель - "враг” или, в лучшем случае, - регулирующее устройство, с потерями давления в котором приходится мириться.
Однако при температуре ниже ” с ситуация резко меняется -здесь главная цель уже не получение работы, а охлаждено. Чем ниже температура, тем меньше рабочее тело отдает прн расширении работы и тем эффективнее работает на охлаждение. Поэтому потеря этой работы становится несуществен- "°百,а эффект охлаждения обеспечивает эффективное, с высо- кнм КПД использование энергии, затрачиваемой на сжатие Рабочего тела. Именно поэтому дроссельные парокомпресси- °нные холодильные установки имеют КПД не ниже, а иногда "выше, чем современные паротурбинные электростанции.
К. Линде, в отличие от своих современников, понял эту диа-
Рис. 4.6. Протекание потоков в теплообменниках Линде (а) и Хэмпсона ⑹： п.п. — прямой поток (сжатый воздух); о.т — обратный поток расширенный
воздух)
лектику отношений двух способов расширения - смело взял дросселирование за основу своих работ и извлек из него почти все возможное (Ипочти,5 потому, что кое-что осталось и да будущего, но об этом - далее).
Второе отличие установки Хэмпсона от установки Линде было в конструкции регенеративного теплообменника. На ра> нице этих конструкций нужно остановиться подробнее, так как дальше она будет играть существенную роль. У Хэмпсона обрат ный поток неожиженного воздуха шел не вдоль трубок в ко册 цевом зазоре между ними, как у Линде (рис. 4*6, а), а поперек тру бок в межтрубном пространстве (рис. 4.6, б).
Трубки, по которым шел сжатый охлаждаемый воздух, свн вались с зазором между витками в плоские ''блины'*, соеди ненные последовательно и укладываемые стопкой один hi другой. Обратный поток неожиженного холодного воздух проходил поперек трубок в радаальных зазорах между ним^ Наружные трубки, которые применял Линде, уже не были н/ ны. Благодаря этому теплообменник становился много 长视 пактнее и легче; пуск установки мог проводиться быстра При этом справедливость требует сказать, что Хэмпсон Р6 шил задачу удачнее, чем Линде.
В конечном счете возникла ситуация с приоритетом, наП° минающая ту, которая была у Кайете и Пикте. Однако раз№ ца состояла в том, что сроки подачи заявок на патенты Р” личались (в пользу Хэмпсона на две недели), но фактически
реализация у Линде была сделана раньше (да и научный ана- ^з процесса был несравненно более глубоким). Начался спор о приоритете, который однозначно так и не был решен. Он ос- лоЖНился еще и соображениями национального престижа* До WX пор в Германии и странах континентальной Европы, вклю・ q” Россию, в ходу термин "цикл Линде55, а в Великобритании й США - "цикл Хзмпсона” или ,5цикл Хэмпсона-Линдем. Что касается тепл о обменника Хэмпсона, то он в разных модификациях и с усовершенствованиями, внесенными позже, употреб- ”ется во многих криогенных установках до сих пор (в частное- тй> и фирмой К. Линде).
В дальнейшем Хэмпсон развил очень бурную деятельность в отстаивании своих прав, вступив в длительную дискуссию не только с Линде, но и со своими соотечественниками Дьюаром и Ленноксом, а также с американцем Триплером. Во втором случае он претендовал и на приоритет в отношении идей, положенных в основу создания аппарата для ожижения водорода. Из-за всего этого в период 1896-1898 гг. в английской печати разгорелась дискуссия о приоритетах, главными действующими лицами которых были Хэмпсон и Дьюар. Она шла, главным образом, не в виде полемических научных статей, а как обмен письмами, публикуемыми в различных периодических изданиях, и ответами на них. Кроме того, шли довольно острые дискуссии в научных обществах, отчеты о которых также публиковались в печати. Все это оставляет довольно забавное впечатление.
Что касается К. Линде, то он ограничился публикацией в английском журнале большой статьи с изложением результат тов своих работ по ожижению воздуха, упомянув в ней и о Кайете, и о работах Хэмпсона. После этого он ни в какие дискуссии не вступал и продолжал успешно совертйенствовать Разработанные им аппараты. Работа велась в двух направлениях.
Во-первых, нужно было улучшить установки для ожижения в°здуха, уменьшая их массу и габариты, совершенствуя очист- КУ воздуха от водяного пара и СО2> всегда содержащихся в ат- Мосьере', и, наконец, снижая затраты энергии на ожижение.
9To было нужно как для получения чистого, прозрачного продукта, так ^я того, чтобы избежать забивки трубок теплообменника и арматуры "снегом” а к °°2，который выделяется при охлаждении неочищенного воздуха.
Во-вторых (и это стало главным направлением), нужно 6ы^ реализовать в полной мере возникшую у него еще в 1895 匕 идею разделять воздух при ожижении на составные 胃乱⑺ получая из него кислород и азот. Для этого потребовались 仄 полни тельные исследования и целая серия изобретений, т# же успешно реализованных. Уже в 1902 г. была пущена “ерв他 кислородная станция. В дальнейшем на основе этих раб^ Линде и под их влиянием создание установок для низкотек(. пературного разделения воздуха (и других газовых смесей) развилось в мощную отрасль промышленности сначала в Гер. мании, Франции и Англии, а со второй половины XX в. в СССР и Японии.
Наряду с заботами о фирме, которая теперь еще выросла и стала выпускать не только холодильные, но и криогенные ус， тановки, К. Линде продолжал и педагогическую деятельность в Мюнхенском политехническом институте (до 1910 г.). Здесь он, в частности, начал подготовку курса прикладной термодинамики как базового предмета для подготовки инженеров, специалйзирующихся в области техники низких темпе ратур. К. Линде был также одаим из основателей знаменитого Мюнхенского музея техники, членом Совета которого он оставался долгие годы.
К. Линде прожил долгую жизнь (он умер в 1934 г.) и имел возможность видеть, как его идеи и разработки развились м вошли существенной составной частью в научную и технм ческую жизнь XX в.
Воздухоожижительные установки фирмы К・ Линде доволь' но быстро стали распространяться и за пределами Германии Первая криогенная лаборатория в России была организован3 при Московском университете в 1898 г, на базе закупленного у фирмы Линде оборудования. Оно включало электродаигй' тель мощностью 5 л.с. (3,7 кВт), двухступенчатый воз душный компрессор с водяной смазкой цилиндров, сжимающий в°з酬 до 20 МПа, и криоблок для ожижения воздуха.
Все это вместе с доставкой обошлось в 2000 руб., к°т°Р" пожертвовал купец Иван Абрамович Морозов, поддержав^^ таким образом инициативу известного физика провез* Московского университета Николая Алексеевича Умов (1846-1915 гг.). е
Ожижитель воздуха был установлен в подвальном эт физической лаборатории и через несколько месяцев в к。
вгуста 1898 г. состоялся его торжественный пуск. Как написал корреспондент газеты "Русские ведомостим, "было получено 0Kо〃° 6 л или полведра жидкого воздуха. Часть его была ответа и. А. Морозову, другая же была в ближайшие дни исполь- зОвана на опыты в присутствии профессоров и лиц, принадле- ^ав111их к составу университета, а также в Александровском коммерческом училище».
В комплект установки входили 13 стеклянных сосудов Дью- ара вместимостью от 0,15 л до 2 л. Поскольку очистка ожижа- еМОго воздуха от влаги и углекислого газа не была предусмотрена, жидкий воздух содержал мелкие кристаллы этих приме- сей и по внешнему виду напоминал молоко. Поэтому демонстрация опытов начиналась с фильтрации жидкого воздуха через бумагу, после чего он становился прозрачным. Кроме этогоа демонстрировались замораживание ртути и коньяка жидким воздухом, горение различных материалов в воздухе, обогащенном кислородом, свечение стеарина после погружения в жидкий воздух и т.п.
Несмотря, однако, на всеобщее удавление, восхищение и даже статьи проф. Умова, в которых описывались возможности низкотемпературной техники, дальше демонстрационных опытов дело не продвинулось. Организовать планомерную научную работу в области низких температур, о которой мечтал Умов, из-за отсутствия средств и равнодушия начальства не удалось.
В 1900 г. проф. Умов был вынужден отказаться от руководства физической лабораторией. Заведование той ее частью, в которой находилась криогенная установка, перешло к главе московской школы физиков П. Н. Лебедеву. Его круг интересов лежал в совершенно другой области науки*
Именно в это время он готовил свой знаменитый опыт по давлению света на твердые тела (1899 г.) и ему было не до низкотемпературных вопросов; средств едва хватало на собственные исследования. Вскоре установка Линде ^подверглась п°рче и перестала действовать5%
После того, как в знак протеста против реакционных дейст- вий царского министра проазещения Кассо Столетов и Лебедев У山ли из Московского университета (1911 г.), дела в лаборато- Рми пошли еще хуже. В 1912 г. П. Н. Лебедев умер. Воздухоожи- ^ительную установку сначала сняли с фундамента и помести- Ли в музей, а затем в 1915г. выбросили вовсе.
Так печально закончилась первая попытка организован в России научные исследования в области криогенной наух^ и ее приложений. Они возобновились лишь после революц^ сначала в Харькове, а затем в Москве и быстро вывели нац^ страну на передовые позиции в области физики (а затем и тех. ники) низких температур. Об этих работах, связанных с имен& ми П. Л. Капицы, А. В. Шубникова и Л. Д. Ландау, будет ра^ сказано позже.
Все достижения теории и практики 1895-1896 гг., связанные с циклом Линде и его модификациями, не могли снять еще нерешенной задачи ожижения водорода. Последний еще уцелевший член старой команды мпостоянных,9 газов продолжал упорно сопротивляться всем попыткам перевести его в жид. кость. Было уже ясно, что для этого нужно превзойти прежние рекорды и оторваться от зоны температур твердых кислорода и азота, а они (соответственно 54 и 63 К) уже были достигнуты Дьюаром классическим методом откачки пара над жидкостью. Другими словами, это означало, что необходимо пройти ин< тервал от 60 до 20 К - задача вдвойне трудная. Во-первых, потому, что, как мы видели, каждый градус здесь в несколько раз ,,дороже>,, чем в зоне температур жидаих кислорода и азота. Во-вторых, было неясно, как предохранить полученный жидкий водород (и всю низкотемпературную часть установки) от теплопритоков извне. Теплота испарения ожиженных газов намного меньше, чем у воды (у кислорода в 10,6 раза, у азота в 11,3 раза). У водорода, если такая тенденция сохранится, как правильно полагали, она будет еще ниже.
Обе эти задачи были решены английским физиком Джеймсом Дьюаром, который преодолел все эти трудности и добился успеха в 1898 г. Это был тот самый человек, с которым ХэмпсоН боролся за приоритет» Разумеется, достижение Дьюара не было случайностью. Только в 1898 г. создались необходимые для ожижения водорода условия. Во-первых, был изобретен и реализован дроссельный газожидкостный цикл, возможности которого, несмотря на достижения Линде и Хэмпсона, еще далеко не были исчерпаны. Во-вторых, с помощью работ француз皆 Д,Арсонваля> немца Вайнхольда и самого Дьюара была создана новая вакуумная теплоизоляция, позволяющая снизить теплопритоки извне к холодной части ожижительной установки и самому ожиженному газу во много раз.
Рис. 4.7. Джеймс ДьюарРис. 4.7. Джеймс ДьюарРазумеется, наличие этих условий ни в коей мере не умаляет заслуг Дьюара. Превратить возможность в действительность иногда даже труднее, чем создать эту воз- м0жность,
Рис. 4.7. Джеймс Дьюар
Рис. 4.7. Джеймс Дьюар
Джеймс Дьюар (1842-1923 гг.) бнл едва ли не самой оригинальной личностью среди вошедших в историю выдающихся деятелей низкотемпературной физики и техники. Более того, он занимает заметное место даже среди тех выдающихся деятелей науки Англии и Шотландии^ которые вошли в исто
рию не только в связи с выдающимися научными заслугами, но и оригинальностью своего характера (взять хотя бы для примера Кавендиша, Хэвисайда, да и самого И. Ньютона).
Д. Дьюар родился в семье шотландца - виноторговца и владельца небольшой гостиницы в городке Кинкардине; он был младшим из его семи сыновей. Мальчик рос в довольно свободной атмосфере, учился в местной школе, увлекался игрой на флейте. В десятилетнем возрасте с ним произошел несчастный случаЛ- играя зимой на реке, он провалился под лед; его спасли, но в результате сильной простуды здоровье его было подорвано. Несколько лет он принужден был пользоваться костылями из-за ревматизма, а болезнь легких заставила расстаться с игрой на флейте. Однако Джеймс не бросил музыку: °н овладел игрой на скрипке. Более того, деревенский столяр, бивший поблизости и занимавшийся изготовлением скрипок, пРиучил его к своему ремеслу, а точнее - искусству. Мальчик научился делать скрипки и овладел этим мастерством на вполне профессиональном уровнё. Скрипка, которую он смао ТеРил в двенадцатилетнем возрасте, сопровождала его всю *нзнь; на ней играли на праздновании его золотой свадьбы.
Именно благодаря скрипичному мастеру было, по-видиц му, положено начало тому ^рукодельному53 мастерству, ко^ рое так помогало впоследствии Дьюару в его тонких эксперт ментальных работах.
Джеймс, несмотря на болезнь, учился в школе хорошо 口 даже получил медаль и первую премию по математике» Закин чив школу (к этому времени он уже оправился от болезни) он поступил в Эдинбургский университет и после успешно^ его окончания (получил четыре различных премии) был ост% лен (1861 г.) при нем как лектор по химии.
Педагогическая работа, однако, "не пошла?, у Дьюара ни в Эдинбурге, ни в Кембриджском университете, куда он бьщ приглашен на должность профессора экспериментальной ф% зики. Тридцатичетырехлетний профессор явно не подходил для воспитания юношества» Он был нетерпелив, вспыльчив и "не терпел дураков". Как написал с истинно британской сдер. жанностью проф* Е. Мендельсон, посвятивший ему целую главу в книге ,5Дорога к абсолютному нулю'] ,?Дьюар и Кембридж по-видимому, не смогли понять друг друга”.
Наконец через два года Дьюар принял предложение занять кафедру химии в Лондонском Королевском институте, ту самую, где когда-то работал Фарадей. Здесь он оказался в обстановке, наилучшим образом соответствующей его характеру; он мог спокойно работать без необходамости общения со многими людьми и сам выбирать направление исследований. Конечно, он не мог полностью продолжить традиции Фарадея, который один умел охватить несколько направлений, но одно из них - ожижение газов, он развил вполне достойно. Однако на низкие температуры он вышел не сразу. Сначала он работал в области химии. Промежуточной ступенью на пути к низким температурам стали исследования теплоемкости твердых тел, Д. Дьюар установил ее уменьшение при понижении температуры. Он не был особенно склонен к высокой теории, но обладал блестяхцим чутьем на новое м уникальным даром экспериментатора, который мог не только придумать идею прибора, но и осуществить ее своими рук" ми. Кроме того, он умел наилучшим образом, артистичесЮ1 продемонстрировать полученные результаты. Именно в облас* ти криогеники эти его способности проявились в наибольшей степени.
В Королевском институте Дьюар проработал до самой смер
ти (умер в возрасте 81 года). Еще за три дня до этого он ра- ботал до поздней ночи в лаборатории, а утром почувствовал себя плохо и был доставлен в больницу, где и скончался. По- ^едней его работой было эксперхшентальное доказательство идентичности ос-частиц атомам гелия.
Начало исследований Дьюара в низкотемпературной облас- м относится к концу 70-х годов, когда он приступил к работам с аппаратами Кайете, выписанными из Парижа (все дороги криогеники вели в то время в Париж). Пытаясь превзойти Вроблевского и Ольшевского, он повторил и их опыты* На ос- н0Ве той же методики, что и они, он добился первого дости- жения - получил впервые твердый кислород (1886 г.). Этот рекорд соответствовал температуре 53 К. Казалось бы, дальше начиналась прямая дорога к ожиженик) водорода. Но Дьюар сперва выбрал неверный, градационный путь - вакуумирование и внешнее охлаждение, который здесь уже оказался тупиковым» В качестве нового охлаждающего вещества для водорода он решил применить раствор водорода в азоте, который, по его мнению, останется жидким при температурах ниже 50 К, Тогда, как он рассчитывал, можно будет в результате вакуумирования этого раствора охладить' водород ниже его критической температуры и ожижить под соответствующим
давлением.
К сожалению5 этого не получилось - водород не желал в з少 метном количестве растворяться в азоте; поэтому азот исправно замерзал при Т- 63 К и никакой новой низкотемпературной жидкости не получилось
Однако Дьюар в это время сделал другую работу, подготовившую условия для ожижения водорода, о необходимости которой уже упоминалось выше: он разработал сосуды для хранения ожиженных газов с высококачественной изоляцией, названные в дальнейшем сосудами Дьюара.
И впоследствии не удалось найти никакого вещества или раствора, кото* Рый бы оставался жидким при температурах ниже 50 К вплоть до критической температуры водорода (33s2 К). В этом интервале никакая жидкость %е живет^ Здесь может существовать либо газ (водород или гелий), либо твердое тело (замороженные кислород, азот, аргон и другие газы). Такая же ситуация существует и ниже тройной точки водорода (13*8 К) вплоть до критической темп* Ратуры гелия (5,2 К). Здесь тоже никакая из известных стабильных жидкостей сУЩествовать не может.
Мысль О ТОМ, ЧТО ДЛЯ тепловой ИЗОЛЯЦИИ сосудов, В КОТОри должны храниться низкотемпературные вещества или npenapj ты, их надо делать двустенными, была высказана и реализов. на еще задолго до Дьюара французом Д'Арсонвалем. 3ag Вроблевский и Ольшевский поместили между стенками ⑪。 ристый кальций, который поглощал водяной пар в межстенно^ пространстве. Тогда внутренний сосуд уже не покрывал^ инеем и можно было наблюдать, как ведет себя находящийся в нем ожиженный газ. Наконец, ВаЙнхольд (и независимо ① него Д,Арсонваль в 1887 г.) предложил откачивать воз如 из пространства между сосудами. Это сделало изоляцию е跺 более совершенной, так как поступление тепла извне путем теплопроводности воздуха практически исключалось; оставь лись только излучение и теплопроводность стеклянных сте
нок внутреннего сосуда.
Д. Дьюар первым реализовал идею вакуумного сосуда на практике, преодолев многочисленные технологические труд, ности (выбор состава стекла, выдерживающего большие пер© пады температур, получение глубокого вакуума, новые стеклодувные задачи). Однако все это, естественно, не оправдывает того обстоятельства, что о заслугах своих предшественников в этой части он не упомянул.
Однако впоследствии Дьюар внес существенный вклад в дальнейшее совершенствование вакуумных сосудов. Он пред
ложил и реализовал дае интересные идеи. Первая из них - предложение посеребрить изнутри стенки сосудов, уменьшив таким образом теплоприток с излучением, поскольку зеркальная поверхность его отражала. Для наблюдения за содержи
мым на сосуде оставлялась вертикальная, не посеребренная прозрачная полоса. Вторая идея Дьюара (1904 г.) состояла в том, чтобы в вакуумную полость поместить некоторое количество абсорбента (активированного угля), который поглои^ал бы при низкой температуре не небольшие количества воздуха, которые с течением времени могли выделиться из стенок со
суда или проникнуть через них. Всасывающее действие адсорбента было тем лучше, чем ниже была температура содержимого в сосуде.
В конечном счете, несмотря на то что вакуумный сосуд как таковой был изобретен не Дьюаром, присвоение его имени этому устройству (в его ок онча те льн ом виде) вполне *6осно‘ вано. Стеклянные сосуды Дьюара можно и теперь встретить в любой лаборатории, связанной с криогеникой.
134
сера；сера；^денно эти сосуды дали возможность Дьюару проводить и знаменитые лекции, на которых он демонстрировал эф- ктнне опыты с ожиженными газами. Дьюар, несомненно, бладал незаурядными данными не только актера, но и режис- его ,,криоспектакли,\ как их можно было бы назвать, вы-
сера；
сера；
зЫвализЫвалиширокий резонанс среди ученой (и тем более неученой,
зЫвали
зЫвали
в том числе и светской) публики. Каждый именитый член Ко- ролевского общества считал своим долгом побывать на этих секциях; неизменно их посещала и леди Дьюар. Лектор искус， но находал такие повороты темы и формы опытов, которые производили наибольшее впечатление на аудиторию.
Именно Дьюар разработал такие "номера”，как заморажи-
вание в жидком кислороде или азоте растений и насекомых, резиновых трубок с последующим их раскалыванием, извлече* ние мелодичного звона из глухого при обычных температурах свинцового колокольчика после его замораживания, ковка твердой ртути, свечение замороженного сахара и т,п., которые вошли потом в постоянный репертуар всех подобных демонстраций.
Эти научно-художественные лекции не только способствовали повышению интереса к новой области науки и росту популярности самого Д. Дьюара, но и приносили более ощутимые плоды. Дьюар всегда в нужный момент умел подчеркнуть,
что экспериментальная наука требует больших расходов. Даже объединение ювелиров Лондона поняло это и внесло 1000 фунтов стерлингов для продолжения его работ.
Итак, стараниями Дьюара была подготовлена идеальная "тара”, в которую можно было наливать жидкий водород и изучать его свойства. Осталось только его получить. Но как? Старые способы не годились^ а новых путей не было видно. Но в 1895 г. появились работа Линде и теплообменник Хэмпсона. Д. Дьюар понял, что путь к жидкому водороду можно проло* жить, используя заложенные в них идеи. Он немедленно приступил к работе. О том, каким был в деталях его ожижитель водорода, судить трудно, так как Дьюар не опубликовал ни до, ни после своего успеха подробного описания - только схему. Однако известно, что предварительное охлаждение водорода велось до уровня 68 К (-205℃); этого вполне достаточно, чтобы Установить принцип действия этой схемы.
Напомним, что эффект Джоуля-Томсона при дросселирова- ннн может быть как положительным (охлаждение), так и
Pitt. 4力・ Схема ожижения водород^ разработанная Дьюаром: ™
1 — компрессор; 2 — предварительны^ теплообменник; 3 - ванна с жидким 崎也 том; 4 - основной теплообменник; $、 дроссель; 6 — отделитель жидкости; 7、 сосуд Дьюара с жидким водородом
отрицательным (нагревание). Все зависит от того, выше или ниже инверсионной температу. ры находится дросселируемый газ или пар. Как в парокомпрео сионных установках, так и в ожи< жителе Линде рабочее тело им& ет температуру намного ниже инверсионной (например, для воздуха температура инверсии для тех давлений, которые ис* пользуются в установке Линде, Tj1HB=650 К, т.е. лежит намного выше области, где установка р% ботает. Водород, напротив, имеет очень низкую тем
пературу инверсии Тинв = 264 К). Поэтому его дросселирование при 几 с не только не приведет к охлаждению, но наоборот, водород нагреется. Однако если предварительно чем-нибудь извне охладить водород ниже 11HHв，то он исправно будет охлаждаться при дросселировании, так же как и воздух. Следовательно, при этих температурах можно успешно применить схему, использованную Линде для ожижения воздуха. Дьюар так и сделал, использовав для предварительного охлаждения Н3 жидкий азот под вакуумом. Соответствующая схема показана на рис. 48
Видно, что ниже линии <ш, показывшощей температуру пред* варительного охлаждения, процесс совершенно аналогичен тому, который использовался Линде для получения жидкого воздуха. Верхний теплообменник служит для предв арительног^
охлаждения сжатого водорода идущим противотоком расширен- ныМ неожиженным водородом. Установка Дьюара была оконча- тельно отлажена, пущена и начала ожижать водород 10 мая 1898 г. За 5 мин его накопилось около 20 см3. После этого ее приелось остановить, так как трубки теплообменника закупори- лиСь вымерзающими примесями водорода. Эта неприятность (с которой в свое время столкнулся и Линде применительно к примесям воздуха) была временной и не изменила результа- та： жидкий водород наконец получен!
Даже очередное заявление Хэмпсона, помещенное в журнале "Nature", о том, что Дьюар не отмечает его заслуги, не смогло омрачить торжества. "Дьюар, - утверждал он, - скрывает важное обстоятельство: еще в 1894 г. Хэмпсон во время визита в Королевский институт рассказал Ленноксу, ассистенту Дьюара, о своих идеях, которые тот и использовал”。В ответном письме Дьюар ехидно написал, что он не только ничего не знал ни о каких идеях Хэмпсона, но даже если бы его вообще не было на свете, то результат был бы тем же. Последующая перепалка между ними представляет интерес уже не столько научно-исторический, сколько психологический. Хэмпсон в конце клниов успокоился по части приоритетов и переключился полностью на совершенствование и производство небольших ожижителей воздуха. Кроме этого, он с удовольствием консультировал тех, кто занимался низкотемпературной техникой независимо от Дьюара.
Годом позже, в 1899 гм Дьюар получил и твердый водород путем вакуумной откачки жидкого. Ему пришлось преодолеть много трудностей, в том числе и связанных с температурными измерениями в водородаой области. В конце концов была установлена достаточно точно температура как жидкого (при 0,1 МПа), так и твердого (при 7Л03 МПа) водорода - соответ- ственно 20 и 13,8 К. Последняя цифра интересна тем, что 9To был рекорд XIX в. на пути к абсолютному нулю-
4・3. ПОСЛЕДНИЙ "НЕПОДДАЮЩИЙСЯ" ГАЗ НАКОНЕЦ ОЖИЖЕН
Наступал XX в., а с ним перед криогеникой вставали и новые^ Snee трудаые задачи.
Одной из них было ожижение единственного оставшегося "‘покоренным нового газа - гелия, занявшего место послеД- "е「° ^постоянного53 газа - водорода. Гелий был открыт посред-
137
ством спектрального анализа сначала на Солнце (/Кансон()ь Локьером и Фрэклендом, 1869 г.) и отсюда получил свое над岡 ние. Те, кто занимался низкими температурами, не придц особого значения этому открытию: мало ли какие еще эле^ ты есть на Солнце! Но в 1895 г. У“ Рамзай при поисках аргона । минерале ураните обнаружил гелий и на Земле. Было так^ установлено, что он содержится и в воздухе, правда, в °口駄 малой концентрации (5,24*10"4%), У.Рамзаю удалось все же ^ брать некоторое количество гелия, достаточное для изучен^ его свойств1. Оказалось, что наряду с прочими уникальны^ особенностями гелий "не желал,5 ожижаться даже при темпа ратурах твердого водорода! Таким образом, в распоряжении фн， зиков и инженеров оказалось уникальное вещество, которое, во-первых, во всем доступном интервале температур оставалось в газообразном состоянии и, во-вторых, если его удалось бы ожижить, был бы самой холодной жидкостью из всех во$ можных.
Ожижение гелия стало задачей № 1 для всех исследователей, связанных с криотемпературами. За ее решение активно взялись Ольшевский, Рамзай с Трэверсом и, конечно, Дьюар. Но ни одному из них добиться успеха не удалось.
Неудачи Дьюара и всех других исследователей не были случайностью. Ожижение гелия требовало принципиально новото подхода к задаче；, уже в духе XX в, ,,Лабораторный,5 период криогеники исчерпал здесь свои возможности. Нужны были установки и оборудование промышленного или полупромыШ' ленного масштаба. Общая для большинства научных исследований XX в. тенденция проявилась и здесь. Первую крупную исследовательскую лабораторию такого типа, размером с небольшой завод, создал в 80-х годах при Лейденском универсй' тете голландский физик Камерлинг-Оннес. Он сумел синтезировать лучшие традиции ,5лабораторной криогеники55 своих предшественников с ишкен卽ным подходом К. Линде, который
工 Для этого ему понадобился ожижитель водорода. Поскольку сотрупниче" во с Дьюаром из-за сложностей его характера исклю»1алось, Рамзай привлек 那 создания ожижителя молодого сотрудника М. Трзверса, который построил два года при консультаиии Хэмпсона (здесь он взял реванш) простой и надежи/ ожижитель водорода. Используя его, Рашай смог извлечь из воздуха и очисти^ нужное ему количество гелия.
ервнм продвинул криогенику в технику. В сочетании с основа- цельной теоретической физикой получился тот базис, опира- 加ь на который Камерлинг-Оннес не только ожижил гелий, но м заложил основу тех традиций, которым следует до сих пор криогеника XX в.
Прежде чем перейти к описанию достижений Камерлинг- 0HHecа, необходимо вспомнить, что нидерландская научная школа имеет давние и славные традиции. При этом можно упомянуть такие имена, как X. Гюйгенс, Д. Левенгук, Я. Вант- рофф, Ван-дер-Ваальс - учитель Камерлинг-Оннеса. Нелишне и вспомнить, что первое ожижение газа было выполнено М. Ван- Марумомв Гааге.
ГеИке Камерлинг-Оннес (1853-1926 гг.) родился в Гронингене в Голландии, где учился в школе и затем с 1870 г. в уни* верситете. В 1871-1873 гг. учился в Гейдельберге у Бунзена и Кирхгофа. С 1882 г. Камерлинг-Оннес стал профессором Лей-
физи- на ос-физи- на ос-денского университета и возглавил группу молодых ков, занимавшихся изучением свойств реальных газов нове работ Ван-дер-Ваальса.
физи- на ос-
физи- на ос-
жизнижизниС самого начала своей научной работы и до конца
жизни
жизни
Камерлинг-Оннес руководствовался любимым лозунгом: ''Через измерения к знаниям**. Этот девиз он не забывал й тогда, когда начал создавать при Лейденском университете свою криогенную лабораторию. Впоследствии она стала классической моделью для всех научно-исследовательских организаций XX в., связанных с экспериментальными исследованиями.
"ля того чтобы сделать это, нужно было сочетать в себе несколько качеств, которые (особенно в таких масштабах) встречаются в одном человеке чрезвычайно редко. Первое из н”х - организационные способности (в широком смысле этого Вова). Тут и умение наладить отношения с людьми как мпо вертикали” - “наверху" и пвнизуп, так и ”口。горизонталип 一 со своими коллегами. Тут и умение найти себе сотрудников с ^^ными способностями. Сюда же относится и устойчивость По °тношению ко всяким трудностям и неприятностям, ко* “Рая определяется не только глубокими знаниями, но и Умением прогнозировать и с опережением решать, куда нужно :^править усилия свои и коллектива и какими методами осу- ествить намеченное. Г. Камерлинг-Оннес был именно таким ИвеРеальным организатором и исследователем. Все эти ка- Ства становятся особенно рельефными при сравнении его
Ри§. 4.9. Гейке Камерлингониес Рис. 4.10. Центральная часть здания кри： генной лаборатории Камерлинг-Онн еса
С предшественниками и современниками, работавшими в тв же области.
В отличие от Льюара, работавшегсГ с одним или двумя п( мощниками и скрьгвавшего от них свои мысли, Камерлин Оннес ~ обладал умением. собирать вокруг себя способна людей, заражать их своими идеями и сплачивать коллекти специалистов, дополняющих друг друга. Особое внимание о^ уделял вспомогательному персоналу, в особенности прибс ристам, стеклодувам и медникам. Он даже организовал гф своей лаборатории школу для повышения их квалификап^
Во многих чертах он был сходен с К. Линде, который то% умел поставить дело широко» с привлечением многих люве и связать науку через технику с промышленностью. Разнии между ними состоит в том, что Линде поставил науку на слУ* бу промышленности, а Камерлинг-Оннес - промышленно^ на службу науке. Таким образом, они двигались с разных 圆 рон, но, в конечном итоге, к одаой цели, характерной 加 “ XX в” - развитию науки и превращению ее в производительна силу общества* Именно этим, в конечном счете, сб为ясн只®^ -успехи и того и другого* Важно отметить еще две черты КаМ® линг-Оннеса. Прежде всего - это открытость и гостеприимен И дома, и в лаборатории у него всегда было много гостей
欧&水еров. Мария Кюри, работавшая некоторое время у него, 口网必打％ что эти дни были одними из самых счастливых в ее ^^зни. Другая его важная черта - щепетильность в оценке вклада в дело своих сотрудников и помощников. Во всех пуб- ^0каииях он неизменно рядом со своей фамилией ставил фа- мИлию того сотрудника (или сотрудников), с которыми эта ра- goTa производилась.
Не нужно, разумеется, думать, что путь Камерлинг-Оннеса при создании и расширении лаборатории был гладким и усыпанным розами. Оборудование и строительство требовали больших затрат и нужно было добывать средства; пожертвования ювелиров врода тех, которые поддерживали Льюара, ияи купца, поддержавшего Умов% здесь были бы недостаточны. Трудности были не только финансовые. Появлялись и враги. Один из них написал донос в Министерство внутренних дел о том, что работу лаборатории нужно остановить, так как проф. Камерлинг-Оннес употребляет баллоны со
сжатыми до высокого давления газами. Если они взорвутся, то разнесут не только лабораторию и работавших в них людей, но и все вокруг. Поэтому надо все это запретить. Министерство так и сделало, назначив комиссию, которая должна была решить - что делать дальше. Дело закрутилось, и лаборатория была вынуждена прекратить экспериментыи К счастью,, комис* сия оказалась достаточно объективной и квалифицирован- ной. В ее состав входил и великий физик Ван-дер-Ваальс, который простым расчетом доказал вздорность всех обвинений. Кроме того, на запросы Камерлинг-Оннеса отозвались ведущие иностранные физики, поддержавшие его, в том числе К. Ольшевский и Л. Дьюар. В конце концов было признано, что тех- ника безопасности1 соблюдается, и все работы были разрешены, но почти ива года были потеряны.
「• Камерлинг-Оннес вел ссалу гелия методично и основа- кпьно. Он получил жидкий водород позже Льгоара (1906 г.), Но н? в лабораторной установке, дающей несколько граммов, а в полупромышленной, дающей до 4 л/ч. Другими словами, 2另 наступления на гелий уже можно было располагать запа- 8M жидкого водорода в десятки литров - количество для то-
Технцк乱 безопасности, по определению одного специалиста, — это Знание т°1'°，что надо делать, чтобы не делать того, чего не надо делатьм. В низкотемпе- ‘а^Рн。注 технике это очень важно.
го времени небывалое! Еще большие возможности были g* заны с получением жидкого воздуха.
Интересны приведенные ниже цифры, показывающие, к军％ количество ожиженных газов использовалось в Лейденск^ криогенной лаборатории1:
Годы1903
1904
1905
1906'
1907
Жидкий воздух, л ... 66
422
480
1119
1462
Жидкий водород, л ..-
—
—
71 -
167-
Эти цифры для того
времени
были
совершенно фантасти
ческими и не шли ни в какое равнение с теми, которые бы* 卫 других лабораториях.
-Г. Камерлинг-Оннес постепенно завоевывал и закреплял позиции, все ближе подступая к ожижению гелия.
Был разработан наконец и проект гелиевого ожижителя Он должен был представлять собой большую комплексную систему каскадного типа, основанную на последовательном включении ступеней, каждая из которых была задумана как цикл Линде на соответствующем рабочем теле, так как это было сделано- в более простом варианте Льюаром для водорода (см* рис. 4.8). В установке было шесть ступеней - хлорметиловая, этиленовая, кислородная, азотная, водородная и, наконец гелиеваяо Гелий после охлаждения водородом и регенератив ного теплообменника должен был дросселироваться и ожижаться, накапливаясь в стеклянном сосуде Льюара. Неожижив- шаяся часть гелия возвращалась противотоком в регенеративный теплообменник, охлаждая гелий, идущий к дросселю. Пока в мастерских под руководством помощников Камер- линг-Оннеса изготавливался ожижитель, были приняты меры для получения чистого гелия в нужном количестве. В то время это был экзотический продукт, добываемый из монацитово го песка. В этом помог брат Камерлйнга-Оннеса, возглавлявший ?,Контору промышленной информации55 в Амстердаме, которая знала почти все о том, где что делается и как эта пр" обрести.
Наконец, нужно было организовать еще два дела: во-перв^' провести эксперименты, позволяющие рассчитать критимес кую температуру гелия (она оказалась около 5 К, как и пред сказывал Лыоар), и, во-вторых, обеспечить надежную очистЮ
v Слово ^риогеиныЙ^ввел в употребление тоже Камерлинг-Оннес.
"2;
города и гелия, чтобы избежать забивки трубок теплообмен- лка вымерзающими примесями.
Все было предусмотрено, ожижительная установка готова м испытана. J,BoenpHnacbi,s - 75 л жидкого воздуха, затем 20 л ^^дкого водорода были приготовлены. Было проведено предварительное охлаждение установки, и в 16 ч 20 мин 10 июля 1908 г. в нее был запущен гелий. Долгое время никаких признаков появления жидкого гелия не было видно, и все собравшиеся вокруг установки почти потеряли надежду на успех. Однако, кота догадались снизу осветить сосуд Дьюара, служивший отделителем, стало видно, что он почти доверху заполнен едкостью. Это и был жидкий гелий! Историческое событие произошло в 18 ч 30 мин. Было получено 60 см3 жидкого гелия.-
Г. Камерлинг-Оннес тут же сделал попытку добиться и за- твер 口 евання гелия к л ассическ им путем - откачкой. Были пущены в ход вакуумные насосы, посредством которых давление пара над гелием было снижено до 0,001 МПа. Однако цель достигнута не была - никаких признаков затвердевания гелий не показал. В 22 ч установка была выключена, и исторический эксперимент, потребовавший от всех, кто его готовил и проводил, как писал его руководитель, ''максимально возможного длительного нахождения в предельно напряженном состоянии'\ успешно закончился.
Историческим этот эксперимент стал не только (и не столько) потому, что был ожижен последний ^самый холодный?, газ и достигнута рекордно низкая температура (как было установлено позже, около 1 К). Главное (что выяснилось уже в дальнейшем) состояло в том, что открывшаяся в результате работ Камерлинг-Оннеса область температур вела к открытию совершенно новых и непре дв и денных явлений, которые нель- зя был。объяснить с помощью физики того времени. Одно за другим посыпались всякие ,,чудеса,\ Гелий не переходит в твердое состояние ни при каком понижении температуры, но теряет вязкость и становится ^сверхтекучим''. Еще позже были открыты связанные со сверхтекучестью и совсем, казалось бы, кбвероятные вещи5 такие, как непрерывное вытекание жидко- г° геЕин из сосуда, в который ничего не втекает, перетекание '「° через перегородку из части сосуда, где его уровень ниже, другую, где его уровень выше, и еще многое, не менее не- ：°'яснимое. Все это сделали его ученики и последователи , ак в Голландии, так и во многих других странах.
Начало исследованию необычайных свойств жидкого гец^ положил еще сам Камерлинг-Оннес. Но самое главное, сдел^ ное в 1911 г. его открытие, путь к которому проложило ожи^е ние гелия, - сверхпроводимость. Он обнаружил, что некотор^ металлы при понижении темпертуры полностью ^скачко^ теряют электрическое сопротивление и становятся, как назв^ их Камерлинг-Оннес, м сверхпроводник амим. Сверхпровод^ мость, так же как и необычные свойства жидкого гелия, ”3a дала работу" целой плеяде физиков-теоретиков и зкспериме® таторов, а затем и инженерам. Он понимал, что теоретик% кий анализ новой области, дверь в которую он открыл, займем много времени и потребует совсем новых идей. Результаты этой работы вошли важной составной частью как в новую физику так и в технику и технологию XX в.
В последние годы жизни Камерлинг-Оннес продолжал на渺 ные исследования в области низких температур (в 1913 г.⑦ крытие сверхпроводимости было отмечено Нобелевской пре. мией по физике). В эти же годы он много сделал для между, народного научного сотрудничества. Он был одним из органи. заторов Международного института холода, деятельность ко торого успешно продолжается до сих пор. До самой смерп? (1923 г.) он продолжал оставаться старейшиной криогенщи ков всего мира.
Подробное описание и анализ физических явлений, связан ных с ультранизкими температурами, не входит в нашу за дачу. Далее мы все же вернемся к некоторым явлениям, про ходящим при этих температурах, но будем рассматривать 琳 не столько с точки зрения физики, сколько в связи с их ин挪 мерным использованием.
Оглянемся в заключение на драматическую историю много летних усилий исследователей разных стран, занимавших^ теорией и экспериментами, связанными с ожижением газов Для того чтобы охватить картину в целом, полезно пре口В вить события, ее составляющие, так, как делают некотор^ историки - в виде хронологической таблицы.
Из табл. 4Д видно, сколько усилий многочисленных 丛©' дователей разных стран понадобилось для того, чтобы за Ф^Е
Т&бПаа 4.1. История ожижения гажмв
1
ГОД
Событие
Действующие лица
?^'
1780
Ожижение диоксида серы
Л. Клуэ, Г. Монж
1787
Ожижение аммиака
М, Ван-Марум
1788
Предсказание о возможности ожижения и замораживания всех газов
А. Лавуазье
1823
Ожижение хлора, сероводорода, диоксида азота, циана
М. Фарадей
1834
Получение твердого диоксида углерода
К. Тилорье
1845
Ожижение бромистого водорода, йодистого водорода, сероводорода, фосфористого водорода, мышьяковистого водорода, циана, фтористого кремния
М. Фарадей
1845
Замораживание бромистого водорода, йодистого водорода, сероводорода, диоксида серы, аммиака, диоксида азота, циана
1861
Введение понятия о температуре ''абсолютного кипения**
Д. И. Менделеев
1862
Введение понятия о критической температуре
Т. Эндрюс
1869
Открытие дроссель-эффекта Ожижение кислорода:
В. Томсон» 瓜 Джоуль
1877
динамическое
Л. Кайете, Р. Пикте
статическое
3. ВроблевскиЙ* К. Ольшевский
1883
Ожижение азота и оксида углерода
То ж©
■: Замораживание:
1885
азота
К. Ольшевский
1895
аргона
1897
кислорода
Д. Дьюар
1897
Ожижение фтора
1895
Ожижение воздуха с использованием дросселирования
Ожижение водорода:
К. Лин ле
1884
динамическое
К. Ольшевский
1898
статическое
Д. Дьюар
1898
Замораживание водорода
1902
Ожижение воздуха с использованием дросселирования и детандера
Ж. Клод1
1908
Ожижение гелия
Г. Камерлинг-Оннес
О работах Ж. Клода рассказано в гл. 5.
нительно короткий исторический срок (около 130 лет) только решить проблему ожижения газов, но и найти способу позволяющие осуществлять этот процесс в промышленной масштабе.
Палее мы перейдем к истории еще одной области криогец. ной техники, возникновение которой стало возможным толь, ко после благополучного завершения всех работ по ожижен^ газов, - это низкотемпературное разделение газовых смесей, история которого начинается с перегонки, изобретенной еще в древнейшие времена.
Глава пятая
КРИОГЕНИКА НЕ ТОЛЬКО ОЖИЖАЕТ ГАЗЫ, НО И РАЗДЕЛЯЕТ ИХ СМЕСИ
Наступило время перехода от изучения атмосферы к использованию ее богатств для получения продуктов народнохозяйственного значения.
К. Линде
ОТ ИСКУССТВА ПЕРЕГОНКИ -
К НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ '
Результаты, полученные К. Линде в работах 1894-1896 гг., положили начало еще одному, совершенно новому направлению криогеники - низкотемпературному разделению газовых смесей, в первую очередь воздуха.
В статье, опубликованной в английском журнале v Engineer " (1896 г.), К. Линде впервые написал об этом. ,5При ожижении воздуха физики всегда наблюдали, что обе его составные части (мы будем иметь в виду только азот и кислород) одинаково переходят в жидкое состояние, хотя температура кипения азота намного ниже, чем у кислорода. Однако, с другой стороны» при испарении более летучий азот отделяется сильнее; жидкость по мере испарения все больше обогащается кислорс
口從”工 М далее: “В новом аппарате, где сепарация жидкости происходит непосредственно в воздухе, проходящем через не- 2 наблюдается такое же обогащение жидкости кислородом. Таким образом, становится очевидным, что если поставить иелью создать аппарат, в котором будут происходить ожиже- яИе и последующее испарение, то задачу разделения можно реализовать, используя охлаждение и ожижение. И кислород, н азот могут быть выведены из машины как газы при обын ных температурах, что позволяет оставить (рекуперировать) в аппарате количество холода, которое необходимо для их охлаждения и сжижения,\ Совершенно очевидно, что в этих строках цается совершенно четкая программа создания нового направления техники - разделения воздуха на кислород и азот новым способом, основанным на его ожижении.
К. Линде никогда не ограничивался только констатировани-
ем возможности создания чего-либо: он тут же приводит описание первого аппарата для разделения воздуха. Из этого очень простого и еще несовершенного устройства родилась усилиями многих исследователей и изобретателей в дальнейшем целая отрасль промышленности. Она дает теперь сотни миллионов кубометров в год кислорода, азота и многих других продуктов, выделяемых не только из воздуха, но и из природного газа, искусственных газовых смесей, получаемых на промышленных предприятиях и в сельском хозяйстве.
К. Линде несколько позже в значительной степени предсказал, опираясь на первые достижения, такое развитие этой области в свое!! публичной лекции, пророчески им названной ^сокровища атмосферы59 (Мюнхен, 1907 г.). Он отметил три этапа в отношениях людей с атмосферой. Первый этап состави
ли ^тысячелетия, когда люди вместе со всем органическим мяром черпали из атмосферы существенные основы своего бытия, не выясняя при этом причины наблюдаемых проиессов,*. Затем шел ^охватывающий несколько столетий век ее научно- го иccлeдoвaния^^. И вот теперь наступил третий этап, когда Новейшие успешные достижения техники направлены на то)чтобы составные элементы атмосферного воздуха переработать в продукцию народнохозяйственного зна『еннн”.
‘В опытах Линде, описанных в гл. 4, ожиженный воздух содержал до 70% °а(№и концентрации его в атмосферном воздухе 20,8%).
В целом он, применительно к своей теме, дал четкий 0^ зор того, как, по его словам, 5,деятельный человек от чувстве* ного восприятия и инстинктивного использования естестве^, ных сил перешел к исследованию их свойств и законов, а затем и к их техническому использованиюм1.
Третий научный комментарий. Чтобы понять ход рабо^ Линде и его последователей по разделению ожиженных газо. вых смесей при низких температурах, необходимо хотя бы ка ротко познакомиться с их свойствами. Они, в принципе, нц^ем не отличаются от тех, которые характерны для газовых смесей при обычных температурах, близких к 7^ с. Эти свойства определяются законами, которые были открыты и теорети. чески обоснованы русским физико-химиком акад. Л. П. Конова- левым (1856-1929 гг.), учеником Л. И. Менделеева, в 80-е годах прошлого века. Законы Коновалова устанавливают связь между составами жидкой смеси двух веществ и пара над ней. Лля разбора простейшего случая, который нам нужен, достаточно воспользоваться первым (из трех) законом Коновалова, который гласит: "Пар жидкой однородной смеси двух взаиморастворимых веществ (компонентов) относительно богаче тем компонентом, добавление которого понижает тем пературу кипения смеси при данном 口авленнз”.
Проанализируем на самом простом примере распространенной (иногда даже слишком распространенной) смеси этилового спирта и воды следствия перврго закона Коновалова.
Известно, что температура кипения чистого спирта при атмосферном давлении составляет около 80℃, а воды при этих же условиях -100℃. Следовательно, вода здесь высококипятий компонент, а спирт - низкокипящий. Смесь С2Н5ОН и Н2О кипит при промежуточных температурах; чем больше в ней низко- кипящего компонента - спирта, тем температура кипения смеси ниже. Следовательно, именно спирт будет в данном случае тем компонентом, давление которого понижает температуру киперия смеси при данном давлении; по первому закону Коновалова его всегда будет в паре больше, чем в жидкости. •
Интересно, что здесь Линде в точности следует марксистской теории, познания: вспомним знаменитую формулировку В. И. Ленина: "от живого » зерцания к абстрактному мышлению, и от него - к практике".
5.1. Т, ^-диаграмма смеси двух ве-
Эту зависимость удобно показать графически (рис. 5.1) на Т, е-диаграмме. Кривые показывают зависимость температуры от концентрации: верхняя - для пара, нижняя - для жидкости. Так как температуры пара и жидкости, из которой он
образуется, равны, то по диаграмме легко установить состав пара по составу жидкости (и наоборот), проведя соответствующую горизонтальную линию - изотерму. Так, например, точка 1 соответствует жидкости с содержанием спирта 0,3 (т.е. 30%). Равновесный ей пар имеет температуру и состав, отражаемый положением точки 2; в нем спирта намного больше - около 60%. Аналогичная ситуация будет и при других концентрациях -как меньших (точки 3 и 4), так и больших (точки 5 и 6). Разница только в том, что концентрации пара и жидкости бу- бут различаться меньше; в крайних точках а и b пар и жидкость имеют один состав - в первом случае будут состоять из чистой воды, во втором - из чистого спирта. Т, ^-диаграмма обладает еще одним полезных свойством. Точка с на изотерме, соответствующая парожидкостной смеси, лежащая между кривыми пара и жидкости, делит ее на две части. Отношение длин отрезка, прилегающего к линии жидкости (1с), и отрезка, прилегающего к линии пара (с2), равно отношению количеств пара и жидкости.
То, о чем говорилось выше, относится только к стационар- ному состоянию - равновесию между паром и жидкостью. Но Для практических целей важно знать, что будет с жидкостью, если испарить ее значительную часть. Результаты такого процесса тоже можно ясно представить на Т, |-диаграмме
00zz00P«c・ 5.2. Изменение составов жидкости и пара при периодическом отводе нН бившейся части раствора на Г, ^-диаграмме:
0
0
z
z
0
0
а — Т, ^-диаграмма; 6 — модель процесса
(рис. 5.2, а). Если жидкость, имеющую состав 厶 и температуру Л (положение Za, рис. 5.2, 6) частично испарить, то общий состав |2 системы пар 十 жидкость (положение 2) не изменится, а температура повысится до Т?. Но теперь система будет состоять из жидкости, менее богатой спиртом 倉之^), и пара, бо# лее богатого им (恥)・ Если пар отвести, а жидкость снова час- •й14Ho испарить, то аналогичный процесс повторится (точки 3, За и ЗЬ)・ Таким образом, в сосуде после этих операций останется часть жидкости состава ^За, состоящая в основном из во” ды с относительно небольшой примесью спирта. Что касается пара, то его состав по мере испарения тоже будет меняться М J До 厶ь и §зь； концентрация спирта в нем (а следовательно» и в жидкости, которая может быть получена из него) буде^ тоже уменьшаться»
Описанные свойства растворов были (конечно, не в столь т0чной форме) известны еще в древнем Египте, и жрецы, под гЛубочайшим секретом, использовали их для получения спирта* Однако из предшествующего ясно, что непоч)едствен- Н0 получить чистый легкокипящий продукт простым испаре- ннеМ в принципе нельзя. Действительно, пусть имеется исходах раствор, соответствующий точке 1а. Если начать его и спа- рнть, то в результате процессов, показанных на рис. 5.2, только первая порция пара будет иметь относительно высокую кон- иеНтраиию &加 соответствующую точке 2. По мере испарения количество спирта в исходной жидкости будет уменьшаться и точка 1а будет смещаться влево в положения 2а, За и т.п. Соответственно и получаемый пар (точки 2Ь, ЗЬ и т.п.) будет содержать все меньше спирта и больше воды. В примитивных само* гонных аппаратах эту трудность частично компенсируют тем, □то первые, лучшие порции продукта отделяют, заменяя сосуды, в которые сливается легкокипящий продукт. (Отсюда, кстати, и самогонный термин ^первачок**, относящийся к первой, наиболее кониентрированной чистой порции.)
Очвидно, однако, что такая прямая "самогонная” перегонка несовершенна. Можно, конечно, проводить этот процесс перегонки многократно, вновь испаряя полученный продукт, но все же разделение получается неполным.
Поэтому еще в древности было придумано радикальное усовершенствование процесса перегонки - дефлегмация (от слова Мфлегма,5 一 жидкость), т.е. повторная конденсация пара. Идея его очень проста и остроумна. Ведь при конденсации процесс идет так, что в жидкость переходит в большей степени высоко- кипящий компонент; следовательно, при частичной конденсации пара, содержащего спирт и воду, в жидкость будет переходить больше воды, чем спирта, и пар будет очищаться от нее, а года возвращаться в испаритель. Если, например, ожижать пар состава ^2 (рис. 5.3) до точки 3, то из него получится жидкость состава 三台^, которая вернется в испаритель, а пар окажется дополнительно обогащенным (точка ЗЬ).
Из таких соображений в результате проб и ошибок в ходе Длительной эволюции, которую мы здесь подробно рассматривать не можем, возникли схемы, показанные на рис. 5.4. Пер- вая из них основана на простом испарении части жидкости и последующей конденсации пара. Вторая - с дефлегматором, когда жидкость из него сразу возвращается в испаритель.
Рис. 5.3. Обогащение пара легкокипя]
конденсац^конденсац^Рис. 5.4. Последовательное развитие процессов разделения:а — простая перегонка; 6 - установка с дефлегматором; в — установка с рек* тификационной колонной; 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - сборник; 4 - дефлегматор; 5 — ректификационная колоннаРис. 5.4. Последовательное развитие процессов разделения:а — простая перегонка; 6 - установка с дефлегматором; в — установка с рек* тификационной колонной; 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - сборник; 4 - дефлегматор; 5 — ректификационная колоннакомпонентом при частичной (дефлегмации)
конденсац^
конденсац^
Рис. 5.4. Последовательное развитие процессов разделения:
а — простая перегонка; 6 - установка с дефлегматором; в — установка с рек* тификационной колонной; 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - сборник; 4 - дефлегматор; 5 — ректификационная колонна
Рис. 5.4. Последовательное развитие процессов разделения:
а — простая перегонка; 6 - установка с дефлегматором; в — установка с рек* тификационной колонной; 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - сборник; 4 - дефлегматор; 5 — ректификационная колонна
Она дает более чистый легкокипящий продукт и позволяет извлечь его в большем количестве, поскольку остаток в испарителе будет содержать его меньше.
Усвоить все эти связи, не имея в своем распоряжении ни законов Коновалова, ни диаграмм, ни способов анализа сое-
.смеси, довольно сложно. В конце средневековья, когда '«егонку только начали применять для получения спирта в^на, к тем, кто мог это делать, относились с большим "3 塞еннем. Это хорошо видно, например, из введения к книге ^0 технологии, написанной в XVI в. Делла Порта. МЯ начну с пе- егонкн - изобретения последнего времени, поразительного :ела, хвала которому выше сил человеческих; не той перегон- к& которой пользуются невежды и неумелые люди - они при- меннют ее, но портят и разрушают добро; но той, которую вы- полняют искусные мастера... Невежде никогда не постичь искусство перегонки".
Попробуем все же постичь более совершенную третью схе- ^у перегонки, которая появилась уже позже (рис. 5.4, в). Здесь между испарителем и дефлегматором был установлен аппарат, названный ректификационной колонной1. В ней поток более теплого пара, идущего из испарителя, движется навстречу более холодной жидкости, стекающей из дефлегматора. Колонна устроена так, чтобы способствовать контакту стекающей жидкости и поднимающегося пара2. Как происходит их взаимодействие, можно видеть из схемы на рис. 5.5. На рис. 5.5, а показан процесс взаимодействия подымающегося пара П и стекающей жидкости Ж некоторого уровня колонны (например, на одной из тарелок) на Т, ^-диаграмме. Для наглядности направление оси температур соответствует тому, чтобы возрастание их шло книзу в соответствии с тем, как это происходит в колон
не.
Состояние пара ", подходящего к тарелке снизу, характеризуется точкой а, а жидкости, стекающей на нее сверху, точкой Ь. Разность температур пара и жидкости, поступающих на тарелку ДТ =几-Ть. При контакте пара и жидкости их температуры выравниваются до некоторой средней температуры %• При этом пар частично конденсируется (точка а'), а жидкость частично испаряется (точка Ь‘)・ В результате взаимодействия "з обоих потоков получается пар "/ обогащенный легкокипя-
От латинского слова rectificate — исправлять, улучшать.
Для： этого колонна либо заполняется пористой Засадкой** (металличес-
щим компонентом (точка g, и равновесная ему жидкость 力 обогащенная тяжелокипящим компонентом (точка У). Такил Образом, в конечном итоге пар обогащается легкокипящил компонентом (из 〃 получается т，а жидкость тяжелокипяиц» компонентом (из 北 получается X)
Такие же процессы протекают и на других уровнях колонии как показано на рис. 5.5, б, где нанесены процессы на трех^ следовательно расположенных тарелках 1-3, В результате m следрвательных сххвигов концентраций вправо по мере дви*е ния пара вверх по колонне он на выходе из нее перед деб"" матором может практически представлять собой чистый "“ ко^ипящий компонент. Таким образом, схема на рис. 5.4, 6 娥 жет обеспечить получение из исходной смеси спирта гфеП®" Ио высокой концентрации. Нетрудно видеть, что процессы ней полностью соответствуют тем, крторые протекают в генеР торе и дефлегматоре абсорбционной ^холодильной установи
то” лишь разницей, что роль легкокипяодего компонента :аМ играет аммиак NH3, а не спирт (см. гл. 6).
(^<есь кислорода и азота, т.е. воздух (если не считать небо ль- х примесей инертных газов, которые в первом приближении 求но не рассматривать), полностью подчиняется описанным закономерностям. Разница в температурах кипения при ат- ^оСферном давлении между кислородом (90 К) и азотом (77 К), составляющая 13 К, меньше, чем в смесях Н2О и NH3, Н2О и С 日炉 но вполне достаточна для разделения.
‘Ете в первом варианте Линде для ожижения воздуха (см.
рм& 4.5) было замечено, что собирающийся в сепараторе и за- тем сливаемый в виде продукта жидкий воздух обогащен ккслоро口ом. Это и естественно: при дросселировании в аппарате Линде ожижается менее 10% воздуха. В этом случае жидкость, как видно из Т, |-диаграммы рис. 5.1, должна быть зна
чительно обогащена кислородом (более 60%). Если учесть, что при сливе жидкости часть ее испаряется (а в пар уходит преимущественно азот), то обогащение кислородом будет еще больше1.
Однако получение обогащенного кислородом жидкого воздуха не решало задачи: нужно было непосредственно получать
газообразный кислород высокой концентрации. Схема первого аппарата, созданного Линде для этой цели, показана на рис. 5.6. Видно, что он очень похож на первый его ожижитель воздуха (см. рис. 4.5, а). Сжатый воздух, поступающий из компрессора, разделяется в точке а на два потока: один идет по внутренней трубке с змеевика О, а другой - по трубке d змеевика N. После охлаждения обратными потоками отходящих газов, идущих в кольцевом пространстве змеевиков, оба пото- ка в точке b соединяются и подаются в змеевик S, погружен- нь由 в ванну с жидким воздухом. Здесь сжатый воздух ожижает- ся и дросселируется в вентиле г, после чего сливается в ту же ванну W. Находящаяся в ней жидкость кипит, так как нагрева- е^сх воздухом, к онден сиру ютимся в змеевике.
Незнание этого свойства жидкого воздуха многократно приводило к ие- ^астным случаям (пожарам и взрывам). Наивно полагая, что жидкий воздух Мет тот же состав, что и атмосферный, некоторые экспериментаторы со- ^втственно с ним и обращались, забывая, что имеют дело практически с кис- ™одом. А фамильярность в отношениях с кислородом (особенно жидким) "Еустима: к нему надо обращаться на ^ы'*!
Рис. 5.6. Первая воэдухоразделите установка К. ЛиндеРис. 5.6. Первая воэдухоразделите установка К. Линде圭一一一"圭一一一"△△К а丿К а丿Рис. 5.7. Два варианта получения возду ха, обогащенного кислородом:а - простой отбор жидкости; 6 - часРис. 5.7. Два варианта получения возду ха, обогащенного кислородом:а - простой отбор жидкости; 6 - частичное испарение жидкости в отделителе посредством змеевикатичное испарение жидкости в отделителе посредством змеевика
Рис. 5.6. Первая воэдухоразделите установка К. Линде
Рис. 5.6. Первая воэдухоразделите установка К. Линде
圭一一一"
圭一一一"
△
△
К а丿
К а丿
Рис. 5.7. Два варианта получения возду ха, обогащенного кислородом:
а - простой отбор жидкости; 6 - час
Рис. 5.7. Два варианта получения возду ха, обогащенного кислородом:
а - простой отбор жидкости; 6 - час
тичное испарение жидкости в отделителе посредством змеевика
тичное испарение жидкости в отделителе посредством змеевика
Из сосуда отводятся два продукты: холодный пар (из ве» ней его части), обогащенный азотом, и жидкость, обогашен ная кислородом. Количество отбираемой жидкости регулир ется вентилем г так, чтобы уровень в сосуде поддерживать не изменным. Два обратных потока продуктов разделения нагре ваются в соответствующих змеевиках и выводятся в виде「羽° образных продуктов А и К.
Такая система несомненно лучше, чем простое ож丛塞洌 воздуха, как предлагал Линде, с отдельным отбором пара и 細 кости, обогащенной кислородом. На рис. 5.7 показаны * фощенные схемы обоих вариантов. В схеме рис. 5.7, а, соотв©" вующей аппарату на рис. 4.5, получается просто жидкость обогащенная кислородом, и продукт А, обогащенный азо^ В схеме рис. 5.7, 6, соответствующей аппарату рис. 5,6, име*' два отличия. Первое состоит в том, что обогащенный кисло?
М жидкий воздух К не выводится сразу, а испаряется в тепло- "бменннке, охлаждая часть поступающего сжатого воздуха В. Соответственно холод не теряется, а рекуперируется, что ^оЗВоляет снизить расход энергии. Кроме этого, продукт полу- иается в виде газа и сразу может быть использован.
Второе отличие связано с тем, что жидкий воздух в сборнике постоянно кипит, поскольку к нему подводится тепло от зМеевика S* Введение этого змеевика - одно из частных, но oueHb важных нововведений Линде. Действительно, в уста- новках, работающих при температурах выше 7^ с (например, при разделении спирта и воды), осуществить кипение легко. Внеш- нИЙ нагрев можно делать, например, огнем или паром. Здесь же тепло извне подводить, в принципе, нельзя: холод достается очень дорого. К. Линде осуществил подогрев за счет 5,внут- ренних ресурсов5*, без какого-либо подвода тепла извне.
К. Линде рассчитывал, что благодаря этому подогреву из жидкости будет дополнительно удаляться оставшийся в ней азот как легкокипящий компонент. Тогда в жидкости, уходящей через вентиль 匕 остается почти чистый кислородв Однако этот расчет оправдался лишь частично, поскольку сверху в сосуд все время вливался жидкий воздух, содержащий много азота; эта жидкость загрязняла жидкий кислород. К. Линде довольно быстро понял, как устранить этот недостаток: ведь решение задачи разделения "теплых” смесей уже существовало-это была ректификация.
Ну冰но было жидкий воздух, сливающийся сверху, сначала очистить от азота, пропустив его через ректификационную ко- тнну, навстречу пару, идущему от кипящей в сборнике жид- кости* К. Линде так и сделал, создав тем самым первую воздухо- разделительную установку, действие которой основано на низкотемпературной ректификации. На рис. 5.8 показана соответ- ^Ующая схема. Здесь жидкий воздух В не сразу попадает в ^паритель, а стекая по колонне, постепенно освобождается От ^ота и сливается, внизу практически не отличаясь по сос- 2ву от кипящего жидкого кислорода К. Пары, подымающиеся S колонне, напротив, постепенно обогащаются азотом А и вы- х°“ят из колонны в состоянии, близком к равновесию с поступа- 10MM воздухом, т.е. содержат примерно 92-93% азота (匕 = 392+ 0,93). А
Таким образом, задача получения из воздуха чистого кисло- "а была решена, Его можно было либо отводить из испарителя
KAKA
KA
KA
непосредственно наружу в виде жихпсости, либо направлять в теплообменник в виде пара, нагревать в нем до температуры окружающей среды и только после этого выдавать потребителю.
Воздухоразделительные установки Линде стали pacnpocrpi' няться и быстро вытеснили старые аппараты, где дорогой кислород получался химическими методами. Усовершенствова нием низкотемпературного разделения воздуха занялись в 誤 время такие изобретатели, как Ж. Клод, известный нам Р. Пик те и др. Продолжал работу и К. Линде, сохраняя еще долго ли дерство.
Главной задачей в это время было получение не только чи° того кислорода, но одновременно с ним и чистого азота, а 弘 тем и инертных газов (т.е. полное разделение воздуха).
• История инертных газов очень интересна и заслужив отдельного рассмотрения, которое мы проведем в § 5.3. Что 期 сается получения одновременно с кислородом чистого 爾° та, то стремление к этому объяснялось не только (и не стол^с желанием иметь этот продукт; в то время он еще не был
ен в столь больших количествах. Дело было в другом: ведь с я3ным азотом уходила и терялась некоторая часть кислоро- па что заметно уменьшало производительность установки. ЕМН отводить чистый азот, то производительность установки соответственно возрастает. Естественно поэтому, что задача п0Лучения чистого азота (т.е. полного извлечения кислорода) прй разделении воздуха была очень актуальной.
Среди тех, кто работал в этих двух направлениях, наиболее существенных успехов удалось достигнуть К. Линде и французу Жоржу Клоду (1870-1960 гг.) - ученику уже известного нам д'Арсонваля, одного из изобретателей сосудов с вакуумной и30ляцией.
И Линде, и Клод, работая над способами полного разделения воздуха на кислород и азот, шли довольно близкими путями. Идея состояла в том, чтобы проводить процесс разделения * в две стадии - сначала получать чистый азот и воздух, только обогащенный кислородом, а затем из него и чистый кислород, разница была только в том, что для первой стадии процесса Клод применил дефлегмацию, а Линде - ректификацию. В дальнейшем практика показала, что вариат Линде оказался более удобным и надежным. Поэтому его ректификационная' колонна для разделения воздуха (^колонна двойной ректифи- каиии") используется практически во всех в оз духоразделительных установках. Лаже фирма 5,Лэр Ликидп, организованная Клодом (и существующая до сих пор), перешла на использование такой колонны. Изобретенная и запатентованная в 1907 г., она, конечно, существенно усовершенствована за прошедшие гопн, но основная идея, лежащая в основе ее работы, не изменилась до сих пор. Таким долголетием в эпоху НТР отлича- ются очень немногие технические устройства.
Принципиальная схема аппарата двойной ректификации показана на рис. 5.9. Видно, что он состоит из двух ректифика- иионных колонн, поставленных одна на другую и соединениях последовательно. В первой (нижней) происходит предвари- тельное разделение воздуха В на азот А, получающийся в верх- "е历 ее части, и обогаденный кислородом воздух (36-38% О2), вбирающийся внизу, в испарителе. Для этого воздух, ожижаю- 也"历ся в змеевике, находящемся в испарителе, через дроссель п°рается в среднюю часть колонны. Пар идет наверх, в конден- сат°Р，а жидкость стекает в испаритель. Оба продукта, получа- 'ge в нижней колонне, в жидком виде через дроссельные вен-
тили подаются в верхнюю колонну，гДе и пронЬодит их о欺如 чательное разделение.
Мы видели, что для полного разделения двухкомпоне^, ной смеси ректификацией необходимо, чтобы сверху в нее ^ вался жидкий низкокипящий компонент, а снизу 口оступм пар высококипящего компонента. Именно такая ситуац^ создается в верхней колонне аппарата Линде с двойку ректификацией.
Разделяемая смесь подается в середину верхней колону Пар, двигаясь вверх, обогащается азотом, а жидкость, стекаю, щая вниз, - кислородом, в соответствии с процессами, показан, ными на рис. 5.5. Готовые продукты разделения 一 технически чистые кислород и азот отводятся из колонны либо в газообраэ. ном (штриховые линии), либо в жидком виде (сплошные лк нии). В первом случае они подаются в регенеративный тепло, обменник, где нагреваются, охлаждая сжатый воздух, поступа ющий на разделение.
Красота идеи, положенной в основу колонны двойной ректи фикации, определяется тем, что как подогрев, обеспечиваю щий поток пара в верхней колонне, так и конденсация, создаю щая стекание вниз жидкости в ней, обеспечиваются без внйг них подвода и отвода тепла. Колонна в этом отношении m ставлена на ^^caмooбcлyживaниe^^. Действительно, теплообмен ный аппарат, соединяющий нижнюю и верхнюю колонны, слу жит в первой из них конденсатором для азота, который обеспечивает флегмой обе колонны, и во второй - испарите лем, обеспечивая в ней поток пара. Поэтому он и называется ,,конденсатор-испаритель,\
Для конденсации азота в нижней колонне при испарении кислорода в вёрхней его давление должно быть около 0,5 №及 чтобы температура его конденсации была 92-93 К, т.е. превн mana температуру кипения кислорода в верхней колонне Интересно, что это давление в нижней колонне поддержив^ ется само, автоматически. Действительно, если оно снизит^ то конденсация прекратится и газообразный азот, оставший^ неожиженным； сразу автомата че ск и поднимет давлени6 Это классиче ский пример отрицательной обратной свЯ^ обеспечивающей саморегулирование процесса; ее налич характерно для лучших и наиболее ,5живучихм техничек систем.
52 ЭНЕРГЕТИКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
^ведением в технику разделения воздуха колонны двойной Ратификации задача полного его разделения на кислород и ^30T была решена. Однако оставалась вторая задача - снижение расхода энергии в воздухоразделительных установках, Полу- иенне 1 л жидкого кислорода требовало затраты электроэнер- гмм не менее 3 кВт*ч, а 1 м3 газообразного - 1,5 кВт*ч (как говорили тогда, 4,1 и 2 "даолсипа口я” соответственно). Нужно было снизить эти показатели по крайней мере в 2-3 раза1. Наметились два пути совершенствования классического дроссельно- г0 цикла.
Первый из них, основанный также на дросселировании, разви- вая сам К. Линде; второй, опиравшийся на введение детандера в технику разделения воздуха, разрабатывал Ж. Клод.
Принципиальная основа как того, так и другого способа, несмотря на их существенное различие, была одна и та же. Ни Линде, ни Клод не осознавали этого в полной мере, думая, что идут принципиально различными, даже противостоящими, путями. Однако с энергетической точки зрения задача и у того, и у другого была одна и та же: ликвидировать (точнее -существенно уменьшить) основной недостаток цикла Линде. Именно этот принципиальный недостаток и приводил в нем к большому расходу энергии.
В чем же дело?
Посмотрим на схему классического цикла Линде (см. рис. 4.5). Она, как видно из рис. 4.18 и 4.19, входит как составная часть неизменно во все системы ожижения и разделения воздуха. Охлаждение сжатого воздуха в них осуществляется в теплообменнике потоком идущего навстречу расширенного воздуха (или продуктов его разделения - азота и кислорода). В° всех случаях (независимо от конструкции теплообмен- ннка - Линде, Хэмпсона и др.) наблюдается одно и то же яв- пение. Сжатый воздух, направляющийся к дросселю, охлажда- ется на меньшее число градусов, чем нагревается выходящий воздух (или продукты его разделения - кислород и азот). Это
Теоретические расчеты, которые в то время уже умели делать, показыва- ""'*т° в идеальном случае расход энергии на получение 1 л жидкого кислорода ^ атмосферного воздуха должен составлять около 0,2 кВт*ч, а газообразного — 二 кВт*ч/мз ДруГИМИ словами, КПД жидкостной установки был 0,2-100/3 = “ 6 J%, а газовой - 0,045*100/1,5 = 3%.
Рис. 5.10. График протекания температур прямого ков воздуха в ожижительной установке ЛиндеРис. 5.10. График протекания температур прямого ков воздуха в ожижительной установке Линде(1-2) и обратного (5-4) пОъ
Рис. 5.10. График протекания температур прямого ков воздуха в ожижительной установке Линде
Рис. 5.10. График протекания температур прямого ков воздуха в ожижительной установке Линде
наглядно можно показать на графике рис. 5.10. Здесь по оси ординат отложена длина теплообменника I, а по оси а® цисс - температуры потоков в теплообменнике.
Теплый конец теплообменника, как и на схемах, расположен вверху, холодный 一 внизу. Видно, что в то время как выходящий поток неожиженного воздуха нагревается на 283 - 79 = =204 К, сжатый воздух охлаждается только на 293 一 130 = 163 К, Аналогичная ситуация складывается и при разделении воз- духа, хотя в этом случае разница температур меньше. Такое ^^нeдooxлaждeниe^^ сжатого воздуха объясняется двумя причинами, Во-первых, количество расширенного воздуха меньше, чем сжатого (часть воздуха отведена в виде жидкости и обрат но в теплообменник уже не попадает). Во-вторых, теплоемкость сжатого воздуха намного больше, чем расширенного. Поэтому, отдавая в теплообменнике то же количество тепла, что получает нагревающийся поток, он охлаждается на мень- шее число градусов, чем то, на которое тот нагревается- То же происходит и в разделительной установке, выдающей газообразные продукты разделения, но, поскольку жИД' кость в этом случае не отводится, действует только втор^ причина; однако и здесь недоохлаждение прямого потока очень заметно.
Врзникает вопрос 一 а нужно ли по этому поводу так огор* чаться? Пускай себе сжатый воздух будет охлаждаться меНЬ' ше. Чем это плохо?
Оказывается, что именно это ^^нeдooxлaждeниe^^ сжатого «уха (или другого газа, если перерабатывается не воздух) 0 приводит к потерям, вызывающим большой перерасход ^ергии на привод установки (т.е. на сжатие воздуха). Первая нз потерь связана именно с тем, что в теплообменнике теряет- сЯ «качество5*, потенциал холода (по табл. 2.1 видно, как он за- вне0T от температуры). Если бы воздух охлаждался в теплооб- меннике до температур, близких к температурам обратного потока (хотя бы до 95-100 К), то этой потери почти бы не было. Вторая потеря связана с работой дросселя. Чем ниже темпера- тура перед ним, тем эффективнее он работает как охлаждающе устройство и тем большая часть воздуха (или другого 「аза) в нем ожижается. А температура перед дросселем - это иесть температура после теплообменника.
Таким образом, главный путь совершенствования процесса
Линде, в конечном счете, сводился к уменьшению разности температур в теплообменнике в результате снижения температуры охлаждаемого сжатого газа.
Как подошел к решению задачи К. Линде? Он и при этом остался верным своей приверженности к дросселированию как способу охлаждения. Начал он с того, что разработал так называемый ?,цикл двух давлений воз口уха", в котором дросселирование производилось на двух разных потоках и температурных уровнях. Это давало некоторые преимущества в расходе энергии, но усложняло установку. Однако, в конечном счете, Линде пришел к очень простому и логичному решению: он призвал на помощь свое старое, проверенное детище 一 аммиачную холодильную установку и подключил ее в воздушный дроссельный цикл.
Как видно из рис. 5.11, поток сжатого воздуха охлаждался обратным потоком в теплообменнике только выше сечения °F и ниже сечения b-b. В промежутке производилось дополнительное охлаждение кипящим аммиаком в испарителе хо- лодильной установки. В результате разность температур в холодной нижней части теплообменника (а соответственно и потери) существенно сократилась и температура перед дрос- селем (в точке 2) намного снизилась. Дроссель стал работать эФфективнее, и доля ожиженного воздуха после него значи- Тельно увеличилась. Пель, таким образом, была достигнута: Явление сжатого воздуха можно было снизить и затраты энер- 「ни на сжатие соответственно уменьшить. Правда, за это
Рис. 5.11. График (а) протекания температур прямого (1刃 и обратного GTm токов воздуха, в ожижительной установке Линде (б) с дополнительным аммзд* ным охлаждением
пришлось заплатить определенную цену: установка несколько усложнилась и главное - холодильная машина потребовала дополнительного расхода энергии. Однако введение надежной и хорошо отработанной холодильной машины ненамного увеличило стоимость установки (тем более что основной компрессор стал проще и дешевле). Что касается энергии, то ее экономия на воздушном компрессоре намного превзошла расход на аммиачном. В результате расход энергии на получение жидкого воздуха снизился почти в 2 раза по сравнению с простым дроссельным циклом.
Выпускаемые фирмой Линде установки разделения возДУ' ха с колонной двойной ректификации и дополнительным аммиачным охлаждением нашли ш^окое распространени6 и выпускались вплоть до 30-х годов.
Ж. Клод, тоже работая над ожижением воздуха, пошел пр価 ципиально другим путем 一 он сделал ставку на самый перв^ способ охлаждения - расширение с отдачей внешней работа Другими словами, он решил положить в основу промышленИО" го процесса ожижения воздуха не дроссель, а детандер. * 164 ■
Задала была очень трудной. Вспом- нмМ, чт0 и Сименс, и Сольвей потер・ 伸朋 поражение в попытках осущест- 80TB низкотемпературный воздуш- нЫЙ никл на детандере - техничес- к^е трудности преодолеть не удалось. Правда, воздушные холодильные ма・ щйны Горри и его последователей ^справно работали с поршневыми де・ тандерами, но в них была не очень низкая температура (не ниже -16℃). Это позволило даже применять обычную смазку пары поршень-цилиндр и
Рис. 5.12. Жорж КлодРис. 5.12. Жорж Клодте технические решения, которые пользовались в паровых машинах.
Рис. 5.12. Жорж Клод
Рис. 5.12. Жорж Клод
ис-ис-В этом же случае предстояло создать такую машину при температурах -100℃ и ниже, что еще никому не удавалось. Сольвей в своем сообщении (1895 г.) на заседании Академии наук говорил: ^Наиболее низкая температура, которую я мог достичь, была 一95℃".
ис-
ис-
В подходе Линде и Клода к этой задаче, возможно, сказалось в определенной степени развитие стиля национальных научно-инженерных школ: следствие того, о чем писал А. Блок, противопоставляя "острый галльский смысл” и 5,сумрачный германский гений,?. К. Линде 一 "германски必 гений” очень трезво оценивал трудности решения этой задачи. Он в 1896 г. писал: ^Практическое осуществление этого процесса (теоретически неоспоримого) сомнительно по следующим причинам. Предположим, что в этом процессе применен атмосферный воздух пРи температуре, которая нужна для его ожижения; при этой температуре все вещества, содержащиеся в воздухе как приме- си： вода, диоксид углерода и другие, так же, как и остатки применяемых смазываемых материалов, перешли бы р твердое состояние. В этих условиях стала бы невозможной работа ци- ^индрд расширения и его распределительных механизмов. Те лица, которым приходилось иметь дело с такими низкими температурами, знают по опыту, насколько трудно в этих Условиях даже управление простым вентилем. Вместе с тем бы* л° бы чрезвычайно трудно или даже невозможно защитить с ^обходимой для таких низких температур тщательностью как
сам расширительный цилиндр, так и его механизмы от ^门出 ния внешнего тепла, и, следовательно, этот способ соверщ^ . но непригоден для получения этих низких температур**.
с чисто французскоес чисто французскоеЖ. Клод пренебрег этими опасностями,
с чисто французское
с чисто французское
и взялся за дело, нац®и взялся за дело, нац®отвагой отбросил эти предостережения ясь на ^острый галльский сммсл".
и взялся за дело, нац®
и взялся за дело, нац®
Как мы увидим дальше, он действительно успешно ретцц задачу, но, разумеется, далеко не сразу.
Ж. Клод (1870-1960 гг.) был очень разносторонним инжене， ром с весьма широким кругом интересов. Первой его серьезной работой было создание совместно с А. Гесс (1895-1896 гг.) спо. соба хранения и перевозки ацетилена в виде раствора его в ацетоне. Ло этого ацетилен хранился в сжатом виде. Будучи очень неустойчивым соединением, он часто взрывался, не
смотря на все меры безопасности. Способ хранения и транспор. тировки ацетилена, разработанный Клодом, используется до сих пор.
Работа над детандером и его применением, которой он за-
нялся после этого, связала его навсегда с криогеникой. Ожижение и разделение воздуха стало его основной задачей. Он много и успешно занимался процессами извлечения и очистки инертных газов, а также их промышленным использованием. Позже Клод провел исследование взрывчатых веществ на основе жидкого кислорода. Кислородная бомба Клода-Л'Ар- сонваля, к которой мы в дальнейшем еще вернемся, наделала в свое время много шума. Он уделил много сил и использованию кислорода для медицинских целей, применению его в спасательных, а также водолазных костюмах. В 20・е года он совместно с Бушёро увлекся проблемой создания энергетических установок на основе использования разности температур на поверхности и в глубине океана в южных широтах* Опытная электростанция по системе Клода-Бушеро даже была сооружена на Кубе.
Друг и покровитель Клода Л'Арсонваль писал о нем так： 5,Клод принадлежит к тем блестящим изыскателям, у которых пытливая наблюдательность лабораторного исследователя соединяется с трезвым разумом практика'*. Действительно) в большинстве своих работ Клод оправдал эту характеристику.
Как бы ни был широк круг задач, которыми занимался Кл。口 все же основной областью, в которой он работал, была криог®' ника, а главным его детищем - создание детандера и разработ* ка путей его использования.
13
06ред тем как перейти к описанию хода этих работ, полез- привести соображения Клода по поводу заключения Линде бесперспективности работы над детандером. Клод писал об этом так.
»»Быяо ли это заключение бесспорным? Следовало ли при・ знать его непреложность, считаясь с авторитетом создателя 3仅兑 теории, тем более, что такого мнения придерживались и другие исследователи 一 Сименс, Сольвей, Хэмпсон и др.?
Мне казалось, что нет. При научных изысканиях существует правило, бесспорная справедливость которого подтверждает- сЯ всей историей прогресса и о существовании которого я всегда помню.
Когда доказана теоретическая возможность осуществле- нмя чего-либо, и лишь практические трудности мешают это выполнить, то весьма и весьма вероятно, что эти затруднения можно преодолеть иеной затраты большего или меньшего количества времени и труда, и можно найти какой-нибудь способ претворить задуманное в действительность и тем самым удовлетворить теорию”.
Это прекрасное и мобилизующее правило в принципе верно. Однако в более трудных случаях в дело бывает вовлечена не одна завершенная теория "в чистом виде,5, а несколько^ причем сре口м этих теорий может оказаться и незавершенная, все
стороны которой еще не ясны.
Так что дорога к новому может быть и сложнее, чем по ^формуле Клода,'.
Чтобы не впасть в пессимизм, нужно иметь в виду, что существует и другая, более приятная возможность. Бывает так, что, не смотря на то, что теория отрицает возможность осуществления чего-либо, оно оказывается все же осуществимым. В дело вмешиваются (или вводятся) не предусматриваемые основной теорией новые факторы. Такой пример будет рассмотрен в гл. 8, применительно к дальнейшему усовершенствованию дроссельного цикла Линде.
В самом начале работы по созданию поршневого детанде-
Ра на пути Клода встали все те трудности, которые предсказы- Вал Линде. Лве из них оказались не такими уж страшными и бнлх вскоре устранены.
Примеси воздуха, которые могли вымерзать в машине, были фактически полностью удалены в результате предваритель- ной очистки и осушки воздуха, которые все равно нужно было Делать.
Приток тепла к цилиндру извне также Казался не% ным, поскольку его можно было поместить в кожух с н?。： иией. *
Однако третья трудность - проведение смазки иилин4M оказалась самой коварной. “
Вначале Клод думал произвести смазку красивым ме@ дом - использовать для этого получаемый в конце раац唯 ния жидкий воздух. Но чтобы получить такую смазку, ну^Нг было сначала пустить теплый детандер и охладить его до ну^ ной температуры. Получался заколдованный круг 一 чтобы пу, тить машину, нужен жидкий воздух, а чтобы его получу нужно пустить машину.
Блестящая идея погибла в зародыше. Следующий вариант был менее экзотическим, но более реальным.
Еще из опытов Кольрауша (1896 г.), работавшего над жидкост ными термометрами для измерения низких температур, былс известно, что многие углеводороды, добываемые из нефти,- легкие бензины - петролейные эфиры (как их в то время назы вали), пентан и другие имеют низкие температуры затверде вания. Когда* Клод столкнулся с этими жидкостями и узнал, чтс некоторые из них не затвердевают и при t < ~100℃, у него тут же возникла мысль применить их для смазки поршня детандера. Он решил, что "применяя при пуске в ход машины обычные смазочные вещества и переходя при очень низких температурах на смазку одним петролейным эфиром95, можно добиться цели.
К концу 1899 г. был изготовлен стенд на основе небольшого вертикального воздушного поршневого двигателя и теплообменника, в котором сжатый до 1,2 МПа воздух перед поступлением в детандер охлаждался выходящим из него расширенным воздухом. Машина была снабжена обыкновенной масленкой под давлением; по мере охлаждения в масло добавлялся петролейный эфир. Испытания проводились ночью под навесом для трамваев на конечной станции линии Бастилия-Шарантон в Париже.
Это были условия научной работы, очень не похожие на 怖， которые были в лабораториях Линде или К амер линг-ОннесЯ-
Тем не менее опыт шел успешно. Летандер стал быстро о* лажцаться. Столбик толуолового термометра, измерявтег0 температуру выходящего из детандера воздуха, быстро опуск訓 ся, перешел черту -150℃, и наконец толуол даже замерз. СпУ。
^есколысо минут машина остановилась, но это не огорчило 伊обретателя. Лля первого раза все было блестяще! Полный на- 照 口 он уселся в трамвай и направился домой. Назавтра с по- “ щью ^едств, которые, узнав, наконец, об успехе, собрали Одерживавшие его друзья, он приступил к продолжению 'боты, которая в 1902 г. привела к созданию вполне работоспособного детандера, позволившего получить жидкйй воздух.
Прежде чем перейти к описанию этих результатов, нужно
отметитьотметитьодно курьезное, но поучительное обстоятельство, о
отметить
отметить
котором поведалкотором поведаллет спустя, работая с толуолом, он установил, что тот за-лет спустя, работая с толуолом, он установил, что тот за-после сам Ж. Клод. Лело в том, что несколько
котором поведал
котором поведал
лет спустя, работая с толуолом, он установил, что тот за-
лет спустя, работая с толуолом, он установил, что тот за-
твер口евает даже раньше, чем температура понижается до 工00℃! Это означало» что ,,трамвайный,? опыт 1899 г„ вызвав-
ший такой энтузиазм, не дал, по существу, ничего нового; шкала термометра была неверной, и никаких -150℃ получено не было. По существу, был только повторен результат Сольвея.
Оказывается, что иногда и грубая ошибка измерения мо
жет быть полезной и уберечь от преждевременной остановки перспективной работы!
Успешное завершение работ с детандером, однако, не дало возможности Клоду получить жидкий воздух непосредственно после детандера, как он хотел, следуя по стопам Сольвея. Это и естественно: в области, близкой к температуре жидкого воздуха, при атмосферном давлении детандер Клода не мог работать1. Поэтому в конце концов Клод отказался от этой идеи. Он принужден был разделить сжатый воздух на две части: одну направлять в детандер, а другую - в теплообменник противотоком к расширенному в детандере холодному воздуху, как показано на рис. 5.13, а. Сжатый воздух при этом ожижался и после дросселирования до атмосферного давления мог использоваться как конечный продукт. Таким образом, Кп。口 тоже пришел к классическому ииклу с дросселирова- ннем. Однако, в отличие от Линде, он использовался для до- ^мнительного охлаждения не парокомпрессйонную холодиль- ную установку, а детандер, в котором расширялась и охлажда- "ась часть поступающего сжатого воздуха. Схема такого провеса, названного именем Клода, показана на рис. 5.13,6; из нее
Так называемые ''двухфазные'' детандеры, в которых производилось Этичное ожнженне газов, появились только сравнительно недавно - в 70-е Зн.
Рис. 5.13. Схема включения детандера в установке Клода: а 一 первый вариант; 6 — промышленный вариантРис. 5.13. Схема включения детандера в установке Клода: а 一 первый вариант; 6 — промышленный вариант
Рис. 5.13. Схема включения детандера в установке Клода: а 一 первый вариант; 6 — промышленный вариант
Рис. 5.13. Схема включения детандера в установке Клода: а 一 первый вариант; 6 — промышленный вариант
видно, что сжатый воздух после охлаждения в предварительном теплообменнике разделяется на две части. Одна, М (50- 60%), направляется в детандер. Другая его часть, 1-М, продолжает охлаждаться обратным потоком в следующем по ходу теплообменнике. Холодный воздух после детандера возвращается в обратный поток и вместе с той его частью, которая не ожижалась, охлаждает идущий противотоком сжатый воздух. В концевом теплообменнике происходит окончательное охлаждение сжатого воздуха перед дросселированием.
Нетрудно видеть, что как в верхней части (выше сеч^ия а-а), так и в нижней (ниже сечения b-b) процесс Клода ничем не отличается от процесса Линде с предварительным охлаждением. Введение детандера привело, в конечном счете," тому же результату: уменьшилась разность температур в холо^ ной части теплообменника и понизилась температура пере? дросселем.
Однако между ними есть и существенная разница. Она с0' стоит в том, что аммиачная (или другая) холодильная установ ка требует дополнительной затраты работы на привод, в т° время как детандер, напротив, возвращает часть ра6°® уменьшая ее общий расход. В результате процесс Клода °期
залей более экономичным и постепенно занял ведущее положение в установках разделения воздуха, обеспечивая удельный расход энергии на получение газообразного кислорода в зависимости от их размера 0,8-0,6 кВт-ч/м3. Установки представали собой некий 'Тибри.” колонны двойной ректификации Линде и цикла с детандером Клода.
Сам детандер постепенно претерпел серьезную эволюцию. Ж. Клоп отказался от петролейного эфира 一 это было очень сложно для промышленной эксплуатации, не говоря уже о том, что эта примесь ^^лeзлa,^ с воздухом в установку, создавая массу неприятностей. Было найдено другое, более простое решение. Фирма "Лзр Лики口” стала выпускать детандеры вообще без смазки цилиндров. Поршень уплотнялся "всухую” кожаными манжетами, пропитанными парафином с добавками, уменьшающими трение. Такие манжеты работали несколько тысяч часов без замены; правда, они не позволяли увеличивать частоту вращения детандера более 150-200 мин-1. Однако этого было вполне достаточно для масштаба установок 10- 20-х годов производительностью не более 250 мз/q кислорода или соответствующего количества азота1.
Другой вариант промышленного детандера был разработан в Германии Гейландтом. Он модифицировал процесс Клода так, что отвод воздуха в детандер (рис. 5.13, точка с) производился при относительно высоких температурах. Оказалось, что в этих условиях цилиндр детандера можно смазывать обыкновенным маслом с низкой температурой затвердевания, а цилиндр Даже не изолировать. Некоторое количество масла, уносимое холодным воздухом из детандера в виде тумана, задерживалось специальными тканевыми фильтрами. Схема Гейландта оказалась при давлении воздуха 16-20 АШа очень выгодной для Установок, производящих жидкий кислород, и они получили в 20・е годы широкое распространение.
Таким образом, на основе работ Линде, Клода и других в первой четверти нашего века была создана промышленная база для получения как газообразных, так и жидких продуктов
Если продуктов нужно было больше, то задача решалась просто: наращива- 110cb число установок. На одном из американских заводов по производству циан- JJ^a было установлено 300 (!) аппаратов Клода, каждый производительностью Ом% азота.
разделения воздуха, удовлетворяющая еще не очень больщ^ потребностям в этих продуктах. И все же уникальные возм% ности, которые открываются при использовании кислорода、 как жидкого, так и газообразного, в это время трудно быд0 предвидеть. Паже писатели-фантасты не касались этой тем^ Только Ж. Верн, еще в 1874 г., когда получение больших кол(11 честв кислорода из воздуха было весьма далекой перепек^ вой, написал замечательную повесть "Фантазии доктора Окса' В ней внимание уделялось не столько технологии получения кислорода из воздуха, сколько тем возможностям, которые дает обогащение воздуха кислородом. При этом Ж. Верн смог, рел далеко вперед 一 мы еще увидим, какие результаты в те» нике и медицине это может дать.
В повести Ж. Верна биологические последствия действия кислорода представлены в блестящей, полной юмора форме1, Действие происходит в маленьком тихом городке на юге Франции 一 Кикандоне (название, естественно, вымышленное), Ж. Верн даже точно указывает численность его населения 、 2393 человека! Сюда приехали два странных человека - док- тор Оке и его помощник Иген (от ,,оксиген,5 - кислород). Доктор предлагает жителям городка построить у них газовый завод и систему освещения, Кикандонцы, даже не мечтавшие о такой возможности (тем более что гость предлагает провести все работы за свой счет), с радостью соглашаются. Лектор так обаятелен, денег тратить не надо 一 а это главное*.. Сооружается завод» в дома прокладываются "Трубопроводы 一 дело идет к концу... Но тут начинаются странные события. Все живое в городе начинает проявлять бурную энергию - от кошек и собак до лошадей и ・・• самих кикандонцев. Все ведут себя так, будто их жизненная сила многократно умножилась. Сонный, тихий городок забурлил. Тихие кикандонцы превращаются в драчунов, ловеласов и дуэлянтов... Походит до того, что Кикандон объявляет войну соседнему городу, с которым издревле жил в добрососедстве. Неизвестно, чем бы это кончилось, но газовый завод вдруг взорвался. Все мгновенно успокоились. Удивленные и снова затихшие кикандонцы смотрели друг на друга и не могли понять, qfo с ними было.
Доктор Оке и его помощник Иген просто провели в масштабе г0родка эксперимент, чтобы проверить, как обогащение возду- ха кислородом действует на живые организмы.
Всякий, кому пришлось побывать в атмосфере, обогащен- но〃 кислородом, может подтвердить, что Ж. Верн очень точно показал, какое действие она производит.
О многочисленных применениях кислорода и азота, кото- рЫе открыл XX в., речь еще впереди. Но в начале века были открыты и другие составные части воздуха - инертные газы. Тогда речь об их использовании и не возникала; нужно было сначала узнать их свойства и научиться извлекать их из воздуха отдельно от кислорода и азота. Эта задача оказалась достаточно сложной и без криогеники практически неразрешимой.
^^Лeнивыe^^ инертные газы не только отказывались вступать в какие-либо химические реакции, но и долго сопротивлялись попыткам извлечь их из воздуха.
СЕМЕЙСТВО "ЛЕНИВЫХ" ГАЗОВ ВЫХОДИТ В СВЕТ
Открытие в воздухе инертных газов и исследование их уникальных свойств - заслуга английского физика У. Рамзая (1852-1916 гг.), который совместно с Лж. Рэлеем в 1894 г. открыл аргон, в 1895 г. обнаружил гелий на земле, а в 1898 г. совместно с М. Траверсом открыл криптон, ксенон и неон.
В 1904 г. за эти открытия и определение места инертных газов в таблице Менделеева он был награжден Нобелевской премией.
Отдавая должное заслугам Рамзая, не следует забывать, что первым обнаружил присутствие в воздухе примеси газов, не вступающих в химические реакции, другой великий физик — член Королевского общества Г. Кавендиш (1731-1810 гг.)- Это открытие (как и многие другие) он не опубликовал, и оно ста- Ло известно из записей, найденных среди его бумаг намного позже.
Известно, что Кавендиш работал в своей лаборатории один. Пользуясь только помощью слуги, выполнявшего по совмести- текьетву роль ассистента, не имея в своем распоряжении ни биогенной техники, ни спектрального анализа. И тем не ме- "% он не только обнаружил инертные газы, но и определил "х суммарное содержание в воздухе с погрешностью всего 9%.
Ранее, в 1772 г., он открыл азот и изучил некоторые его cbq^ ства, но результат не опубликовал; поэтому честь откры^* была отдана Л. Резерфорду, который сделал это в том же го^ но позже. Именно знание химических свойств азота (откру^ им самим) дало Кавендишу возможность обнаружить ин®/, ные газы.
Пропуская через воздух, смешанный с кислородом, электро ческие разряды в присутствии воды, он установил, что 师“ этом образуется азотная кислота. Поглощая ее едким калц КОН, он делал это до тех пор, пока объем газа не перестал уменьшаться (т.е. весь азот окислялся, а оксид был удален) Процесс химического связывания азота был длительным “ очень трудоемким, особенно для слуги Кавендиша, который во все время опыта крутил вручную электростатическую маши. .ну. После этого Кавендиш удалил оставшийся кислород и ус， тановил, что объем несконденсировавшегося газа составляет около 1/120 первоначального объема. Это и были инертные га- зы (по современным данным их содержание 1/109 !).
У. Рамзай уже через столетие не только вновь установил наличие в воздухе инертных газов, но и постепенно "вытащи# из смеси каждый по отдельности и изучил их свойства.
Дело началось с того, что он и Рэлей заметили, что азот, получаемый из воздуха, тяжелее, чем полученный химическим путем. Разница и объяснялась содержанием инертных газов.
Извлечение из воздуха каждого члена этого семейства н изучение их свойств было чрезвычайно трудной задачей прежде всего потому, что их процентное содержание (кроме аргона) ничтожно (табл. 5.1).
Какие эмоции у исследователей вызывала работа с этими, как их тогда называли ^благородными5* газами, показываю^ названия, которые дал им крестный отец - Рамзай. Имена ва греческие и поэтому для людей, не знающих этого языка, звУ' чат вполне благозвучно. Однако аргон - "ленивый”, криптон * "скрытый” (от этого же корня зашифрованная запись * ”кр娜 тограмма55), ксенон - ^чуждый^. Такая вот газовая семей^' Только два газа, принадлежащие к ней, неон 一 ''новый55 и № лий - ,5солнечныйэ\ получили приятные имена.
К. Линде, Ж. Клод и другие много работали над извлек' нием этих газов из воздуха. Подробное изложение связан时 с этим интересных событий заняло бы слишком много ме^& Отметим только самое главное.
174
Таблица 5.1. Содержание в воздухе и нормалыше темп^мурыхипения инертных газов
Газ
ТемператураКонцентрация
кипения, К(объемная доля), %
Аргон Неон
Гелий Крип
тон Ксенон
87,30,934
23,61,82」0-з
4,25,24・10т
119,71Д4-10-*
165,08,740-®
Еще в начале века было обнаружено, что во многих месторождениях природного горючего газа, добываемого в США и Канаде, содержится значительное количество гелия (до нескольких процентов). В дальнейшем такие газы были обнаружены и в других странах, поэтому вопрос о получении гелия из воздуха, где его содержание ничтожно, отпал сразу. В конце первой мировой войны в США были построены фирмами ”Лин・ де” и ”冗зр Лики口》первые заводы по извлечению гелия из при- родйого газа. Все остальные — аргон, неон, криптон и ксенон добываются только из воздуха одновременно с кислородом и азотом.
Принципиальная основа этих процессов извлечения инерт- ных газов становится ясной, если рассмотреть их поведение в колонне Линде двойной ректификации воздуха (рис. 5.14).
Поступая с ожиженным воздухом В в нижнюю колонну совместно, они сразу же начинают вести себя по-разному - в соответствии со своими свойствами.
Гелий и неон при температурах, существующих в колонне, остаются в газообразном состоянии; их температура конденса- Ции намного ниже, чем у жидких кислорода и азота. Раствори- М℃ТЬ их в этих жидкостях ничтожна.
Поэтому естественно, что гелий и неон вместе с парами Поднимаются вверх по колонне и попадают в конденсатор. 5есь азот конденсируется и стекает вниз, а смесь неона и ге- "”咒 остается газообразной и (хотя и медленно) накапливается Под крышкой этого теплообменного аппарата. Отсюда ее мож- (естественно, не в чистом виде, а в смеси с азотом) периоди-
Рис. 5.14. Распределение инертных газов в лонне двойной ректификации
чески отбирать для дальнейшего разделения и очистки. Количество ее по отношению к кислороду и азоту очень мало: на 1000 м3 переработанного воздуха выделяется 18,2 л неона и 5,2 л гелия. Из этой смеси, в которой неона примерно в 3 раза больше, чем гелия, его и выделяют, Криптон и ксенон (тяжелые инер> тные газы), в отличие от гелия и неона, сразу переходят в жидкое состояние и растворяются в ожижае* мом воздухе. Вместе с ним они попадают в испаритель нижней колон* ны, затем в верхнюю колонну и3 на
конец, собираются в жидком кислороде. Если из установки отбирается жидкий кислород, они уходят вместе с жидкостью, если газообразный, то с ним - другого пути нет. Содержание и криптона, и ксенона в кислороде в 5 раз больше, чем в воздухе (так как его получается в 5 раз меньше). Но и это количество ничтожно 一 в 1000 м3 кислорода содержится 5,7 л криптона и 4,3 см3 ксенона. Поэтому задачу извлечения Кт+Хе из кислорода можно было решать только на крупной промышленной установке, способной "переварить” большие количества кислорода, и постепенно, шаг за шагом, концентрировать эти ”скрН‘ тый и чуждый15 газы. Вместе с ними концентрировались в кислороде и другие, в том числе взрывчатые примеси воздуха (н" пример, углеводороды), на которые сначала не обращали внимания 一 ведь содержание их было ничтожным. П. Рибо, сотрут ник Ж, Клода, погиб при взрыве такой смеси, образовавшей ся при опытах по концентрированию криптона и ксенона. То加’ ко в 20-е годы эту задачу удалось решить 一 криптон и ксено^
М^ли обычными техническими продуктами (хотя и относи- ^льно дорогими).
Что касается аргона, то его поведение в ректификационной кодонне более сложно, чем остальных инертных газов. По- ско^ьку гелий и неон - ?,легкокипящие!'5, а криптон и ксенон 一 ^тяжелокипящиеп, их положение в колонне четко определено； первые с паром идут вверх, вторые - с жидкостью вниз. Ар- гон же, как 5,среднекипящий,5, оказывается в трудном положе- нмм・ Его температура кипения на 3 К ниже, чем у кислорода, но на 10 К выше, чем у азота. .
В нижней колонне, где нет полного разделения, он присоединяется к смеси, содержащей больше кислорода, попадает в испаритель и подается с жидкостью в верхнюю колонну. Тун уже производится окончательное разделение: надо выбирать, куда идти - вверх с азотом или вниз с кислородом. Но аргон оказывается в трудном положении: сверху на него льется холодный азот, который его конденсирует и смывает вниз, а снизу его подогревает более теплый кислородный пар, стремящийся вверх. У ^^лeнивoгo^^ аргона, если его не отводить из середины колонны, остается один способ уйти - часть его выходит с кислородом, а другая часть - с азотом. В установках, где получают только кислород и азот, так и происходит.
Такая ситуапия и определяет способ извлечения аргона - его отводят из средней части верхней колонны, естественно, с неизбежными примесями кислорода и азота. Пель всей дальнейшей технологической цепочки сводится к получению чистого аргона путем удаления и кислорода, и азота»
И К. Линдеэ и Ж. Клоду, каждому в своем варианте, удалось разработать такие технологии. Удаление азота и части кислорода производилось ректификацией, а окончательная очистка от кислорода 一 химическим путем - взаимодействием с серой или с водородом»
В дальнейшем, уже в наше время, удалось достигнуть достаточно полной очистки аргона как ректификацией, так и адсорб- Цией*
Первые соображения об использовании инертных газов вымазывались еще в начале века (например, для заполнения газосветных трубок и электрических ламп накаливания), но Широкое их применение развилось уже позже, в наше время.
Таким образом, в классический период развития криогеники, ^^кончившийся в начале XX в” были заложены основы как теории, так и криогенной техники.
На этом фундаменте выросли целые направления техник^ и технологии со своей научной базой, обеспечившие суще^ венный вклад в современную научно-техническую револю, цию.
Параллельно с криогеникой бурно развивалась и холодиль， ная техника. Она тоже вышла в первые годы XX в. с солидны^ научно-техническим заделом и производственным опытом Более того, опередив криогенику в части практического % пользования своих возможностей, она раньше вышла на ур0. вень возникновения и развития соответствующих новых техно, логий. При этом, естественно, продолжали совершенствовать* ся как сама холодильная техника, так и ее научная база.
Обе последующие главы книги и посвящены развитию холодильного и криогенного направлений низкотемпературной науки, техники и технологии в эпоху подготовки и начала современной научно-технической революции.
Глава шестая
ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА НАБИРАЕТ СИЛУ И ЗАВОЕВЫВАЕТ МИР
Пища 一 основа жизни человека,
И. Ильф, Е. Петров
Развитое холодильное хозяйство необходимо для сутествоеания крупных городов и того, что мы называем современной цивилизацией.
А. Бражников, Э. Каухчишвили
ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА СОВЕРШЕНСТВУЕТСЯ
В начале второй половины XIX в” когда холодильная техника находилась еще в начальной стадии развития, лишь очень немногие могли предвидеть, какое значение она будет иметь в будущем.
К числу таких людей принадлежал французский инженер Фердинанд Карре (1824-1900 гг.) - один из основоположников жплодильной техники. В 1860 г. он впервые набросал широкую панораму ее приложений в народном ховяйстве.
178
Он назвал, прежде всего, производ- ^ро льда, без которого в то время во- обще трудно было представить ис- п0льзование холода, затем охлажде- Н^е помещений - жилых, производ- 幽енных и общественных (то, что те・ 口ерь называется кондиционировани- ем)・①.Карре даже рассчитал, что сто- ^ость одной калории нужного для эТого холода будет превышать стоимость калории тепла, идущего на отопление, примерно в 2 раза (что впоследствии оказалось близким к i истине). Далее он перечне-；
Рис. 6.1. Фердинанд КарреРис. 6.1. Фердинанд Каррелил ряд технологий: регулирование брожения в производстве вина и пива, концентрирование вин, спирта и кислот^ получение пресной воды из морской путем вымораживания, экстракцию парафинов из нефти, получение глауберовой соли NaaSO4 из морской воды и т.д.
Рис. 6.1. Фердинанд Карре
Рис. 6.1. Фердинанд Карре
Можно только удивляться прозорливости Карре. Тем не менее он, естественно, не назвал и половины того, что может делать холод. Кроме того, он связывал почти все применения холода с использованием льда (природного и искусственного).
Однако потребности общества в широком применении холода быстро вышли далеко за пределы предсказаний Ф. Карре. Поля городского населения в развитых странах возрастала. Уходили в прошлое времена, когда большинство пищевых продуктов потреблялось непосредственно на месте их производства или вблизи него. Нужна была дальняя транспортировка 悯叫 рыбы, молочных продуктов, овощей и фруктов и их длительное хранение.
Холодильная техника начала второй половины XIX в. не могла еще обеспечить своих потенциальных потребителей соответствующим оборудованием. Но дело было не только в ней. К каждой холодильной установке нужен был привод. Это 0значало, что было необходимо приобретать, устанавливать и Эксплуатировать соответствующую паровую машину. Почти до K°HUa века ей альтернативы не было. Только на морских 勺口ах можно было использовать их собственные двигатели.
К концу века ситуация в корне изменилась - как в 額乂⑷ холодильной технике, так и в энергетике и машиностроение В гл. 3 было рассказано о том, как стало производиться 6°必 шое число компрессионных холодильных установок, котор^ заняли господствующее положение на рынке. Они обеспечил^ 由 основном удовлетворение всех нужд промышленности, трацс, порта и торговли в холоде.
Картина, однако, будет неполной, если не рассказать еще и о двух других типах холодильных установок, изобретенных и разработанных в те же годы. Это абсорбционные и пароэ^к, торные установки. Они, как и парокомпрессионные, относятся к группе парожидкостных установок, но существенно отличают- ся от них тем, что работают без механического компрессора, Как в дальнейшем показала практика, они не могут вытеснить парокомпрессионные машины, но в ряде случаев имеют опре. деленные преимущества.
Историю абсорбционного охлаждения нужно начинать, по- видимому, с 1777 г., когда Г. Нейрн обнаружил способность серной кислоты поглощать водяной пар. Это ее свойство было известно и раньше, но Нейрн заметил очень важное обстоятельство -процесс поглощения в отсутствие воздуха идет намного быстрее. Если поместить чашу с серной кислотой я сосуд с водой в вакуум (под колпак воздушного насоса), то поглощение пара, а следовательно, и испарение воды идут столь бурно, что вода в другой чаше может даже замерзнуть.
Оба явления 一 как охлаждение при испарении жидкости (испарительное охлаждение), так и поглощение одной жидкостью паров другой, сопровождаемое нагреванием (абсорбция)1, были известны каждое отдельно. Заслуга Нейрна не только в установлении того, что воздух здесь "третий лишний}, и мешает процессу, но и в том, что он соединил испарительное охлаждение с абсорбцией. Практическим приложением такого абсорбционного охлаждения Нейрн не занимался.
Профессор математики и физики в Эдинбурге Л. Лесли (2766- 1832 гт.) на основе такого сочетания процессов построил в
Z Термин ^абсорбция3' происходит от латинского слова absorbtio —поглошен11®1 всасывание. Противоположный процесс — выделение пара поглощенного веш®'： ва - абсорбата из абсорбента (поглотителя) при нагреве или вакуумировании называется десорбцией.
岱］0 г. лабораторный холодильный аппарат. Аппарат состоял *з двух соединенных трубкой стеклянных сосудов - одного серной кислотой, другого с водой. Воздух из первого сосуда предварительно откачивался вакуумным насосом с ручным приводом. Если открыть вентиль на соединительной трубке, то "серная кислота, которая имеет огромную способность поГлошать воду, забирает пары по мере того, как они образуют- сЯ< Испарение идет быстро, в короткое время температура воды понижается, и она замерзает*5. Лед удаляют, производится от- ка^ка системы, и процесс повторяется.
Какие-либо достоверные данные о производительности установки Лесли отсутствуют. Есть упоминание о 3 кг (6 фунтах) льда в час; в других источниках говорится о 500*700 г за цикл. Если это так, то каждый цикл продолжался примерно 10 мин. Аппарат Лесли остался лишь лабораторным образцом и распространения не получил. Однако идея жила, и через 40 лет Эдмунд Карре 一 брат Ф. Карре, построил более совершенный сернокислотно-водяной абсорбционный холодильный аппарат. Конструктивное его оформление было уже приспособлено для практического использования (рис. 6.2). Сосуд для охлаждения воды (или льда) был стеклянным и мог легко сниматься; сосуд для серной кислоты был сделан из свинца 一 материала, устойчивого по отношению к ней. Откачка воздуха и водяного пара
между циклами приготовления продукта производалаа» так же, как у Лесли - ручным насосом.
Этот аппарат выпускался серийно одной из английских фирм и нашел применение, в частности, в парижских кафе. Хозяин, который имел такой агрегат, мог предложить своим клиентам охлажденные напитки и мороженое в любое время года и был независим от поставок льда.
После 1850 г. в течение более четверти века проводились пнть отдельные работы по дальнейшему совершенствованию абсорбционного охлаждени. Они не дали каких-либо результатов в виде новых жизнеспособных конструкций, но два существенных достижения были все же получены. Во-первых, бнпо найдено, что существуют и другие пары веществ 一 ад- сорбентов и адсорбатов, кроме H2SO4 久 Н2О: вода Н2О и ам- Мнак NH3, эфир (С2 H$ )0 и сернистый ангидрид SO2. Первая "3 этих пар стала в дальнейшем основной для абсорбционных хо- "。口ильных установок.
Рис. 62 Абсорбционная холодильная установка Э. Карре:
■А ~ воздушный насос; В, С- сосуды для серной кислоты и охлаждения воды
Рис. 6.3, Схема абсорбционной холодильной установки периодического действия
1 — генератор-абсорбер; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4 — ресивер; $ дроссель; 6 - испаритель; 7 ~ запорный вентиль
Во-вторых, было показано, что для удаления из абсорбента поглощенного пара (абсорбата) применение вакуумного насо* са необязательно; его можно убрать, добившись удаления пара в результате нагревания. Температура при этом должна быть выше, чем та, которая соответствует кипению жидкости поглощенного абсорбата. Например, чтобы удалить водяной пар, поглощенный серной кислотой, нужно нагреть раствор 頂 180-200°С. Такое решение1 сразу упростило задачу, поскольку отпала необходимость использовать наиболее неприятный в эксплуатации элемент установки - вакуумный насос.
Эта заслуга принадлежит Ф. Виндхаузену, который в 1878 г показал на экспериментальных образцах десорбцию водяныз
Слово 'решение” (в смысле ^техническое ренениМ) вместо термин* "открытие" применено здесь потому, что выделение пара из абсорбента при нагревании наблюдал еще Фарадей в опытах 1823 г.
182
-ров нагревом из смеси H2SO4 с водой. Он внес и много других ^стичных усовершенствований в схемы и конструкции холо- йльных машин, в частности показал возможности использо- ；&н依 регенеративного теплообмена в абсорбционных холодных установках. Ф. Виндааузен занимался с увлечением м возлутными холодильными машинами, и даже был основным оппонентом К. Линде на Венском конгрессе пивоваров, от・ стаивая преимущества воздушных машин по сравнению с па- «окомпрессионными.
ф. Виндхаузен был талантливым инженером с широким кру・ 「озором и оригинальным умом, напоминая в этом отношении Перкинса.
В частным задачах он мог получать важные результаты; од- нако синтезировать их в качественно новую техническую систему он не смог.
Основная заслуга в создании абсорбционных холодильных установок, в главных чертах существенно не отличающихся от современных, принадлежит все же Фердинанду Карре, о котором уже упоминалось в начале главы. Он был, как и другие, самые выдающиеся, его современники, многосторонним инженером-универсалом, знакомым с теплотехникой, металлургией и даже с нарождавшейся тогда электротехникой. В то же время он получил и хорошую научную подготовку, сочетавшуюся с производственным опытом. Таким образом, Карре соединял в себе все качества, необходимые для того, чтобы творчески подойти ко всему, что было накоплено до него, свести это воедино, смело исключить тупиковые идеи и начать новое направление холодильной техники.
Начал он с усовершенствования парокомпрессионных установок, что дало, несомненно, толчок к созданию абсорбционных холодильных установок непрерывного действия, а не периодического, как было прежде.
В 1859 г. Ф. Карре получил основополагающий патент на водоаммиачную абсорбционную установку. Он безоговорочно (н как показала впоследствии практика ~ правильно) отка・ Зался от серной кислоты и всех других, ранее предлагавшихся абсорбентов. Опираясь на свойства смеси NH3 и Н2О, он пРедуСМ0Трел все возможные варианты ее использования. Не довольствуясь этим, Карре до 1862 г. получил еще 14 (!) патентов различные усовершенствования общей схемы, а также кон- ^Укций аппаратов, машин, арматуры и приборов. В этом бло-
ке патентов содержалось, по существу, все, что определи^ развитие как водоаммиачных, так и других абсорбционнк холодильных установок по крайней мере на полвека вперед.
Следует также отметить изобретенные им оребренные 吶6 ки для теплообменников, а также компрессоры и вентили с эластичными мембранами. Эти изобретения впоследств^ вошли в арсенал не только всей низкотемпературной техник^ но и химической технологии м энергетики. 1
В патентах Карре описаны два вида абсорбционных хол0. пильных установок - пер иодическ ого (о которых о тоже не за, был) и непрерывного действия. В первых он шел по следам cbq. его брата, модернизировав его модель на основе замены рабо. чих тел и вакуумной откачки - нагревом.
На рис. 6.3 показана (в современных обозначениях) прин. иипиальная схема абсорбционной установки периодического действия,. Сосуд 1 служит, в зависимости от периода цикла, либо генератором, либо , абсорбером. В период зарядки находящийся в нем водоаммиачный раствор нагревается (с помощью водяного пара или каким-либо другим способом). При этом происходит десорбция - аммиак выделяется из воды. Затем пар аммиака проходит охлаждаемый дефлегматор (уже упоминавшееся в предыдущей главе устройство), В нем некоторое количество водяного пара, идущего совместно с аммиаком, конденсируется и сливается обратно в генератор. Пар аммиака поступает в конденсатор, где ожижается. Отвод тепла и от дефлегматора, и от конденсатора ведется при температуре окружающе访 среды водой или воздухом. Жидкий аммиак сливается в теплоязолированный сосуд 一 ресивер. Когда почти весь аммиак перейдет в него и в генераторе останется только вода с небольшой примесью аммиака, пропесс зарядки заканчивается.
Затем генератор начинают охлаждать вето访 или атмосферным воздухом, Давление в нем соответственно падает, и он превращается в абсорбер. Если теперь приоткрыть дроссельный вентиль, то жидкий аммиак (точно так же, как в парокомпрессионной установке) будет дросселироваться от давлений Рк до низкого давления "就 и попадет в испаритель. Здесь 门°口 низким давлением, которое поддерживается абсорбером (口°‘ скольку охлажденная вода в нем поглощает пары аммиака)， аммиак кипит, отводя тепло от того, что требуется охладить* Так разрядка продолжается до тех пор, пока весь аммиак 第 184
севера не перейдет в адсорбер. Период разрядки продолжа- "сН обычно дольше, чем зарядки, и в течение всего этого вре- н炉 участок системы от сечения а-а до сечения Ь-Ь работает ouH。так же, как и в парокомпрессионной установке.
Про этом для обеспечения движения рабочего тела не нуж- «о ни насоса, ни компрессора; все оборудование очень простое потому надежное. Единственные элементы конструкции, которые должны иногда двигаться, - это вентили: запорные -
НУ*Н°НУ*Н°при изменении режима периодически открывать и за-
НУ*Н°
НУ*Н°
хрывать, а дроссельный - регулировать.
Простота и надежность установок периодического действия
обеспечивают им очевидные преимущества при малых производительностях, особенно тогда, когда непрерывная ра・ бота не требуется. Однако периодичность процесса связана с тем, что аппарат, нагретый в одной части никла, надо охлаждать в другой, а затем снова нагревать. Это вызывает дополнительные расходы на нагрев и охлаждение.
Этот недостаток был исключен в абсорбционной установке непрерывного действия, создание которой стало основной за- слуго访 Карре. Здесь повторилась та же последовательность развития, как в газовых и парожидкостных: от периодически действующих аппаратов, которые то нагревались, го охлаждались, к непрерывным. Ее схема представлена на рис, 6.4. При этом генератор и абсорбер - уже самостоятельные аппараты, каждый из которых занят исключительно своим собственным пелом и работает в стационарном режиме1.
В генераторе при подогреве аммиак выделяется из концентрированного ("крепкого") раствора, проходит дефлегматор, 「па освобождается от остатков водяного пара и подается при R&coKcM давлении в конденсатор. Слабый раствор, состоящий Из воды с остатками аммиака, идет через дроссель раствора Охлаждаемый при То с абсорбер. Сюда же поступает газообраз- “ай аммиак, прошедший, как и в парокомпрессм0HHe访 уста- н°вке，дроссель и испаритель. Слабый раствор поглощает ам- м°ак, превращаясь в "крепки说”,и насосом снова подается R генератор.
、Стационарный режим - такой, при котором все параметры потоков в каж- £ тоуке схемы неизменны по времени (в отличие от нестационарного, в част- ти периодического, где они переменны).
Рис. 6.4. Схема' абсорбционной водоаммиачной холодильной установки непре рывного действия:
а - общая схема; 6 - схема включения регенеративного теплообменника рас: вора; 2 - генератор； -? - абсорбер; 3 - дефлегматор; , - конденсатор; 5 - дроссель 6 - испаритель; 7 - дроссель слабого раствора; 8 - насос крепкого раствора; 5- регенеративный теплообменник
Очевидно, что часть установки, расположенная левее штриховой линии, представляет собой такое же сочетание аппара тов, как и в парокомпрессионной холодильной установке Часть, расположенная правее нее, выполняет ту же роль, что компрессор в парокомпрессионной установке, т.е. повв шает давление пара аммиака. Только делается это не механи ческим путем, а термохимическим. Высокое давление обеспе чивается подводом тепла при высокой температуре в генерал ре в результате выделения аммиака из крепкого раствора»а низкое - отводом тепла при температуре окружающей сре削 когда аммиак поглощается и всасывается слабым раствором，
Таким образом, действие абсорбиионной холодильной уВ* новки обеспечивается не затратой работы (если не считав привод насоса крепкого раствора, мощность которого W сительно невелика), а подводом тепла. В ряде случаев, особ^ 186 .
когда имеется отбросное тепло низкого потенциала /150-200℃), это оказывается очень выгодным.
@, Карре изобрел и способ уменьшения расхода тепла путем ведения его регенерации (реализовав идею Виндхаузена). Наркс・6・4, 6 показано, как это делается. Теплообменник уста- нав"вается на потоках раствора между генератором и абсор- gep0M- Горячий раствор, идущий из генератора в абсорбер, ох- яаЖдается в нем, а ^крепкий'5, идущий в генератор, - нагреваеТСя, В результате в генератор поступает уже подогретый раствор, а в абсорбер - охлажденный. Таким путем уменьшается расход как тепла в генераторе, так и охлаждающей воды (или воздуха) в абсорбере.
Построенная Карре абсорбционная холодильная машина непрерывного действия демонстрировалась на Всемирной выставке 1862 г. в Лондоне. Она давала до 200 кг льда в сутки при температуре нагрева генератора 130℃. В том же году Парижская академия наук учредила авторитетную комиссию для оценки изобретения Карре/ Комиссия констатировала, что "Карре с большим остроумием нашел новое, вдохновляющее и практически значительное решение проблемы получения искусственного холопа”.
Абсорбционная холодильная установка - первый успешный результат попыток вообще устранить самый дорогой и неприятный в эксплуатации элемент компрессионного цикла - компрессор.
Ее изобретатели, главный из которых был несомненно Карре, Действовали в духе инженерного афоризма, высказанного поя* ти веком позже известным конструктором танка Т-34 М. И. Копь киным: "Лучшая деталь танка - деталь, которой нет".
Машины Карре распространились не только в Европе, но и в США. Известно, что во время гражданской войны они помога- 叱 осажденным южанам сохранять продукты питания в Новом Орлеане (1863 г.).
Сейчас найдены и другие пары веществ для абсорбционных Установок, но смесь NH3 и Н3О до сих пор не потеряла значе- н”九 Современные водоаммиачные установки в принципе не Сличаются от тех, которые разработал Ф. Карре более века :азад. Такая долговечность технического устройства в наш век встрой смены поколений техники встречается чрезвычайно 呢№о. В этом Ф. Карре превзошел даже К. Линде!
Рис. 6.5. Схема пароэжекторной холодильной установки:
1 - дпло эжектора; 2 - конденсат; 3 - испаритель; 4 - рабочий пар; 5, 6 - вход и выход охлаждаемой воды; 7 — конденсатор; 8 — отвод воды в котел
Другой вид бескомпрессионных холодильных установок - пароэжекторные, появился позже 一 в 1910 г. Они работали на самом древнем и доступном холодильном агенте - воде. Отсасывание водяного пара в испарителе и нагнетание его в конденсатор производилось в струйном насосе 一 эжекторе.
Схема пароэжекто! )й установки показана на рис. 6.5. Здесь пар, выходящий с большой скоростью из сопла эжектора, увлекает за собой и сжимает пар низкого давления, отсасываемый из испарителя. Идея применять эжектор для сжатия рабочего тела холодильных установок появилась в патентной литературе еще в 1894 г” а реализована впервые была М・ Лебланом в 1910 г. Работа эжектора обеспечивается большей частью водяным паром; поэтому эжекторные установки выгодны там, где имеется достаточное количество дешевого пара. При работе на воде они могут применяться там, где нужны температур* не ниже 3-4℃, например для кондииионирования воздуха.
Абсорбиионные и эжекторные установки пополнили число видов холодильных установок, и "на старт" к концу века в? шли четыре их вида 一 парокомпрессионные, воздушные, абсор иионные и пароэжекторные.
Все они ^участвовали в соревновании,* XX в.: ''главном судьей55 была экономика. Каждый вид установок совершенствовался на ходу и постоянно улучшал свои характеристики. В戒 188
水е первое место в подавляющем большинстве случаев занижали парокомпрессионные установки; пока нет признаков, гоВорящих о том, что в ближайшей перспективе это положение вменится. Однако и для других находились 9,экологические н^гп以” -области, где они имели неоспоримые преимущества.
Абсорбционные установки имеют определенные области применения, из которых едва ли будут вытеснены в ближайшее время; они вне конкуренпии там, где имеется избыток дешевого низкопотенциального тепла.
Воздушные холодильные установки, начиная с 40-х годов, находят все большее распространение. Это объясняется прежде всего тем, что были найдены принпипиально новые технические решения, позволяющие эффективно переработать большое количество воздуха при низких давлениях. Для сжатия разработаны эффективные малогабаритные турбокомпрессоры, а для расширения - турбодетандены; применяется и новая компактная теплообменная аппаратура. Кроме этого, появились и новые области их использования (например, в авиаиии для кондииионирования воздуха в салонах самолетов).
Пароэжекторные установки, работающие на воде, после некоторого периода относительно широкого использования стали применяться редко из-за очень низкого КПЛ (не выше 3-4%). Они уступили место абсорбционным, работающим на смеси бромистого лития и воды. Однако при использовании других рабочих тел пароэжекторные установки можно сделать существенно более эффективными.
Каждый вид холодильных установок в процессе длительного развития претерпел существенные изменения. Изменилось почти все - современная установка и по всем показателям, и даже по внешнему виду мало похожа на своего идедуш- ку” столетней давности.
Проследим эту эволюцию на двух примерах, относящихся к парокомпрессионным установкам.
Первый из них относится к рабочим телам - хладагентам. Самый живучий из них (применяется более 100 лет) 一 это амми- ак Некоторые вещества сошли со сцены, появились новые, а он продолжает работать! И это несмотря на множество недостатков. Аммиак ядовит; небольшая его примесь в воздухе вызывает тяжелое отравление. Он в смеси с воздухом взрыво- °пасеи, Наконеи, он разъедает цветные металлы; поэтому Применять их в аммиачных машинах нельзя. Любому другому
хладагенту такого букета недостатков бы не простили, а ц миак живет... Какими же достоинствами это окупается?
У аммиака есть положительные особенности, одна из Ко^ рых просто уникальна.
Отвод тепла от объекта, как мы уже видели, обеспечила ется кипением хладагента в испарителе. Чем больше его тепло, та парообразования, тем, естественно, меньше при прочих pafii ных условиях его нужно и ^^гoнять^^ в цикле. Так вот, теплое испарения аммиака в несколько раз больше, чем у любого дру, гого хладагента (у аммиака при давлении 0,1 МПа г= 1369 кЛж& у метилового эфира г ^ 464 кЛж/кг и у диоксида серы г 5s =390 кДж/кг). В этом отношении аммиак напоминает дру・ гую уникальную жидкость - вод7, у которой при аналогичны^ условиях г = 2497 кЛж/кг.
Аммиак также имеет очень удобную зависимость давления от температуры кипения (см. рис. 3.12): не слишком высокие давления конденсации при температурах окружающей срелы То с и не очень низкие при наиболее часто требуемых .температурах объекта охлаждения То. Нельзя забывать и о том, что ^ммиак\(в паре с водой) самый ходовой агент и в абсорбционных холодильных установках. Наконец, аммиак очень дешев и доступен - химики синтезируют его миллионами тонн.
При всех достоинствах аммиака поиски других рабочих тел, пригодных для самых различных условий работы, интенсивно продолжались. Некоторое время использовался в качестве рабочего тела и диоксид углерода. Привлекала его доступность и химическая инертность. Однако по своим термодинамическим свойствам он оказался не очень подходящим, так как тре- бовал^^сь слишком высокие давления для конденсации при TOiC. Однако углекислотные установки уцелели, пережив серьезную трансформацию: они превратились в системы для производства и выдачи на сторону "сухого льда5* 一 твердого диоксида углерода. Как транспортируемый хладагент он очень удобен, так как обеспечивает температуры до -78℃ и при атмосферном давлении сразу сублимируется - переходит в пар.
Известно, что впервые твердый диоксид углерода был поЛУ' чен еще Тилорье в 1834 г. в виде снега при дросселировании жидкости. Но тогда вопрос о его широком практическом приМ^ нении не возникал. Первое известие о выходе "сухого 加足 ■ торговлю "в железных, прочно закупоренных бутылках"觎 ло помещено в 1-м томе книги с пространным. название^ "30.000 новейших открытий, рецептов, общеполезных практ^* 190
qe水их сведений и современных изысканий по части всех зна・ нН九 выработанных современными науками и искусствами”， ^шедшей в Москве в 1885 г.
качественный скачок в создании новых хладагентов прои- з()111ел в 1930 г., когда американская фирма "Пюпон” разработа- 〃а целую серию новых веществ под общим названием "фре・ 0制”.Это были галоидопроизводные предельных углеводоро- 即в, синтезированные Ф. Свартсом в Женеве с 1893 по 1907 гг. н им *е впервые исследованные.
Как известно, общая формула предельных углеводородов СпН2п+2 (метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8 и т.д.). Фреоны образуются, если заменить все или часть атомов водорода в них на фтор или хлор (или и тем и другим одновременно). Очевидно, что таким путем можно получить огромное число самых разных соединений, широко варьируя их физические свойства. Большая часть фреонов химически инертна. Фреоны быстро нашли применение в холодильной технике. У нас они выпускаются под названием ,,хладоны,\
Сейчас практически все холодильные парокомпрессионные установки работают либо на одном, наиболее подходящем по температурам фреоне, либо на ^^дoлгoжитeлe^^ - аммиаке. Фре
оны нашли также широкое применение как растворители в разных отраслях промышленности, а также в быту. Количество производимых в мире фреонов измеряется миллионами тонн в год.
Однако в середине 80-х годов нал производством и использованием фреонов неожиданно сгустились тучи и грянул гром. Оказалось, что многие из них виновны, наряду с другими промышленными выбросами, в разрушении озонного слоя атмос- ФеРы, защищающего все живое от губительного жесткого ультрафиолетового излучения солнца. Несколькими авторитетен решениями на международном уровне, выработанными экспертными комиссиями (в том числе и Международного Института холода) предложено во всех странах сначала сокра- т”ть, а затем и вовсе прекратить выпуск и использование ряда Фреонов.
Многое об ^озоновой дыре^ и о влиянии на озоновый слой Фреонов до сих пор неясно. Как это часто бывает в экологи- "ескпх вопросах, предположения, отдельные исследования ” Паже эмоции приводят к недостаточно обоснованным реше- ""区м. Предстоит выяснить, какие еще промышленные выбро-
сы в атмосферу влияют на озоновый слой, какова роль прсд^ тов сгорания автомобильного, авиационного и ракетного 门口 лива, а также природного метана и других газов (оказало^ что некоторые вулканы Камчатки в числе прочих газов cg 1 зируют и извергают фреоны!). Нет оснований не считать, ^ многие "иностранные” вулканы не хуже наших выделяют(. выделяли в прошлом) фреоны и другие, не менее опасные 川1sl озонового слоя газы. В 1982 г. фреоны были обнаружен даже в Антарктиде: их содержали пузырьки воздуха, вмерз% го в антарктические ледники тысячелетия назад.
Все эти вопросы входят в сложнейший клубок неотложна задач экологии, решения которых время настоятельно требует Что же касается холодильной техники, то работы по поиску экологически чистых хладагентов уже небезуспешно ведут(^ во всем мире, в том числе и у нас в стране.
В 50-х годах возникло и успешно развивается новое направ， ление в поисках оптимальных холодильных агентов - создание смесей различных веществ с подходящими свойствами. Идея
здесь очень проста и стара: ее лучше всего сформулировала Агафья Тихоновна в нЖенитьбе,5 Н. В. Гоголя. "Если бы губы Никанора Ивановича ла приставить бы к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, какая у Балтазар Балта- зарыча, да прибавить к этому еще дородности Ивана Павловича...,J Как ни странно, эту идею здесь удается в значительной
степени реализовать.
Первым из холодильщиков ее пытался использовать Р. Пикте в 70-х годах прошлого века, смешав диоксид серы SO2 с диоксидом углерода СО2. Правда, эта смесь не оправдала возлагавшихся на нее надежд, но начало было положено. Вслед за Пикте было сделано еще несколько неудачных попыток, однако успех пришел значительно позже. Сейчас смеси хладагентов создаются уже не наугад, а на научной основе, и их применение во многих случаях дает существенный эффект. Иногда использование смесей сочетается и с изменением схемы установки. Это направление успешно развивается. Как правив эффект от использования смесей больше сказывается с пони^' нием температуры Т。, поэтому они в последнее время более широко используются в криогенике.
Второй пример существенных изменений холодильных уЕ* новок относится к компрессорам. В крупных установках сов^Р' шился переход к турбокомпрессорам и осевым машинам '
таблица 5.1. Изменение некоторых Ефаммров южщилышо зхпневого компрессора от установки с холодоЕфошволшельноаью 仇 4 кВт (15 000ккал/ч) в 1900-1970 гг.
Годы
190019301939194619561970
Масса，кг з 州ьем, м и&стота вращения, мин"
18154862271929043
3,52,00,520,350,070,04
1605001500175017503500
быстроходным и компактным. В малых и средних установках появились различные ротационные машины, более компакт- нке и быстроходные. В итоге компрессор как таковой уцелел. Но за сто с лишним лет не изменился только его принцип действия. Что же касается конструкции, то поршневому компрессору под давлением все возрастающих требований и в борьбе с конкурентами пришлось сильно измениться: он стал почти неузнаваем, что видно из табл. 5.1.
Изменения потрясающие! Если бы конструкторам первых холодильных компрессоров сказали, что масса их машин может быть уменьшена (при сохранении производительности и снижении расхода энергии) в 40 (!) раз, они едва ли поверили в такую возможность. Этот процесс улучшения качественных показателей пока не только не прекращается, но даже существенно не замедляется. Большинство волов парокомпрессионных и воздушных холодильных установок находятся все еще на восходящей ветви s-кривой и до сатурации еще далеко (хотя поисковые работы в качественно новых направлениях уже ведутся). ,
Существенную, даже революционную роль в совершенствовании холодильных установок сыграл и переход от парового привода к электрическому. Но для очень крупных холодильных Установок оказалось выгодным использовать для привода па- Ровне турбины, питающиеся паром от электростанций.
^Днако в большинстве холодильных установок используется электр0ПрИВ0Д> Он не только упростил их эксплуатацию и Уменьшил затраты топлива на получение холода. Электропри- в°П дал возможность дробления, индивидуализации холодила
ных установок, приближения их к объектам охлаждения Это, в частности, привело к тому, что лед перестал бь^ средством транспортировки холода к индивидуальным по% бителям. Каждый из них, используя свою холодильную у^^ иовку, может иметь свой холод, а если нужно, то и лед.
Завершение этой тенденции привело к возникновению * бурному развитию в конце 20-х годов новой отрасли холодиль ной техники - производству небольших торговых и домащНи3[ холодильников. Потребовались, естественно, новые инженер, ные решения. Нужно было обеспечить высокую надежность экономичность, бесшумность, автоматическое регулирование удобство и безопасность эксплуатации и, наконец, эстетичес' кие требования. Возможность иметь мхолод на хюму” произве. ла переворот в способах переработки, транспортировки и хране* иия пищевых продуктов и привела к необходимости пересмотра всей идеологии этой области хозяйства.
"ХОЛОДИЛЬНАЯ ЦЕПЬ” - ОТ ПОЛЯ ДО ДОМА
Тезис о том, что "пища - основа жизни человека,\ подтвержденный в свое время Ильфом и Петровым в "Золотом теленке", обычно ие вызывает каких-либо серьезных возражений даже у людей, справедливо ставящих на первое место духовную сторону жизни. Что же означает на практике обеспечение этой "основы жизнип в условиях нашего XX в. и тем более в перспективе?
Проблема связана с хранением и транспортировкой пищевых продуктов. Без ее разрешения накормить человечество с конца XIX в. и тем более в дальнейшем в принципе невозможно, независимо от масштабов сельскохозяйственного производства. Даже в том случае, если всех необходимых видов продуктов питания будет произведено вполне достаточно, и даже с избыт* ком, потребитель получить их не сможет.
Задача хранения и транспортировки продуктов питания в большом масштабе возникла, как уже упоминалось вышб, во второй половине XIX в. и встала во весь рост в XX в. Она ст* новится и дальше тем сложнее, чем выше концентрация населения, а особенно в больших городах, чем больше развивает^
сПеииализация сельского хозяйства, крупномасштабное рыбо- ；0вство, торговля продуктами питания. Сложилась обстанов- к褊 когда момент создания продукта может быть отделен от момента его потребления не только днями, но и месяцами, & место, где он создан, - сотнями и тысячами километров от места, где он потребляется. Все традиционные, выработанные веками способы долговременного хранения (сушка, копчение, засолка, консервирование всех видов, химическая обработка) 餌 в отдельности, ни все вместе решить эту задачу не могут, прежде всего потому, что продукт перестает быть натуральным, теряет многие питательные и вкусовые свойства. Да и □осле обработки срок хранения в обычных условиях достаточно ограничен. Это относится к продуктам как животного, так и растительного происхождения.
Вот что писал по этому поводу в начале 20-х годов известный советский специалист-холодильщик проф. В. Е. 11ыдзик: **Нужен такой способ воздействия на продукты, который бы не изменял их свойства, как классические методы, а напротив, позволил бы сохранить их в свежем виде или максимально близком к нему на необходимый достаточно длительный срок...*5 Это означает, что нужно остановить (или очень сильно замедлить) все процессы, меняющие качество продукта. ^Остановить мгнове- нием - задача в принципе не разрешимая. Но "растянуть" время, причем очень сильно - можно. Сделать это может только холод. Выходит, что не случайно в тех случаях, когда нужно что либо остановить и поддерживать на некотором неизменном уровне (переговоры, цены и т.п.), говорят *,заморозить,*.
Разумеется, классические методы обработки пищевых продуктов холодильная обработка не заменяет. Напротив, как мы Увидим далее, она может помогать приготовлению многих Астрономических изделий.
Итак, холодильная обработка - это обработка холодом. Она может проводиться по-разному в зависимости от того, предназ- начена ли она для сохранения качества продукта на длитель- "*〃 срок или входит как составной элемент в технологию его пеРеработки.
R каждом из этих двух вариантов применяются свои техно- Егии. В первом - их две; во втором - огромное множество.
Итак, о первом - хранении. Здесь технологии различаются по ^ературнсму уровню используемого охлаждения. Границей е^ду ними служит так называемая криоскопическая темпера-
тура. Она определяется тем, что жидкие компоненты продув та, состоящие в основном из воды, при охлаждении раныце или позже начинают кристаллизоваться. Это происходит 叫 температурах ниже 0℃ (в отличие от чистой воды). Проце^ понижения температуры продукта до уровня, лежащего выще криоскопической температуры, называют охлаждением^ а нц. же - замораживанием.
Охлаждение существенно замедляет неблагоприятные из. менения в продукте, особенно в том случае, если оно прове. дено сразу после его получения. Кроме этого, важно, чтобы про. дукт поступал на хранение неповрежденным: специалисты говорят, что холодильник - ^гостиница, а не больница для про. дуктов,\ Однако охлаждение не прекращает полностью неблагоприятные процессы, происходящие в продукте, в частности жизнедеятельность бактерий. Поэтому охлаждение при- меняется для относительно коротких сроков хранения (1-8 нед, а для некоторых продуктов - таких, как корнеплоды, капуста, яблоки зимних сортов, - до 6 мес и более). Для каждого вида охлажденных продуктов существуют свои оптимальные температурные режимы хранения; это целая наука, в которую мы углубляться здесь не можем. Иногда холодильное хранение сочетается с использованием инертной газовой среды, содержащей повышенное количество азота, диоксида углерода и др.
Замораживание приводит к полному (или почти полному' превращению влаги в лед и прекращению деятельности микроорганизмов. Замораживание и последующее хранение в замороженном состоянии гарантируют полную сохранность пищевых продуктов на длительный срок. О том, насколько этот срок может затянуться, свидетельствуют многие случаи нахождения продовольственных складов полярных экспедиций полувековой или вековой давности с прекрасно сохранившимися продуктами. Ла и сама природа поставила множество блестящих экспериментов со ,?свежезамороженными,5 мамонтами, неоднократно обнаруженными в Сибири, мясо которых в течение 田 сячелетий прекрасно сохранилось.
Замораживание, как и охлаждение, дает максимальный эффект при соблюдении определенной технологии - как в перв°^ стадии - при понижении температуры, так и в последней ' при оттаивании - 5,размораживании,5. Ее нарушения могут прм вести к ухудшению продукта, потере его вкусовых качеств “
прИвлекательного вида. Важное значение имеет скорость 3^ораживания - чем она выше, тем меньше при кристаллиза. цИи влаги получаются кристаллы льда и соответственно мень、 ше повреждается структура продукта. Отсюда возникла техно、 力о「以仪 быстрого замораживания. Не менее, а может быть, и более интересна новая технология быстрого размораживания 図口 вакуумом или прогревом СВЧ-энергией (токами сверхвьь сОкой частоты).
При всем этом нужно также иметь в виду и экономическую сторону дела: чем ниже температура замораживания, тем дороге холод (сложнее оборудование, больше расход энергии). В связи с этим проф. Н. А. Головкиным был разработан компромиссный способ - поверхностные слои продукта замораживаются, а центральные - лишь охлаждаются. Получается иподмо- poжeнный^^ продукт, долго сохраняющий высокое качество, получение которого требует меньших расходов.
Все описанные методы дают возможность организовать единую ^холодильную цепь” - от производителя продуктов до их потребителя. "Звеньяг" ее не только отличаются одно от другого по устройству, но имеют и разную протяженность; некоторые из них могут быть длиной в тысячи и даже десятки тысяч километров. Тем не менее они прочно связаны общим назначением и расположены в строгой последовательности.
На рис. 6.6 показана принципиальная схема ,,холодильной цепи”. Начальное ее звено 工 производственно-заготовительный холодильник, принадлежащий либо изготовителю продукта, либо другой, более общей организационной структуре. Здесь производится предварительная обработка продукта и его охлаждение, а если нужно, и замораживание. Работа такого холодильника чаще всего носит сезонный характер. Примером Мо*ет служить холодильник крупной фермы, сельскохозяйственного кооператива, рыболовного траулера и т.п.
Следующее звено - базисный холодильник, - более крупный, Тужащий для накопления продукции, доставленной с загото- вительных холодильников. Здесь, как и дальше, связь между звеньями цепи осуществляется специальным холодильным Бакспортом - автомобильным, морским (речным), железнодорожным или воздушным, оборудованным соответствующими х°лодильными установками. В случае необходимости перегруз- Ки с одного вида транспорта на другой создаются перевалоч- “Ее холодильники, приспособленные для краткосрочного хра- Нения.
Рис. 6.6. Схема Холодильной цепи**:
2 - производственно-заготовительный холодильник; 2 - базисный холодиль иик; 3 - распределительный холодильник; 4 - торговый холодильник; 5 一 домат Иий ХОЛОДИЛЬНИК
Дальше идет самое "толстое”, центральное звено всей цепи - распределительные холодильники. Они презназначень: для длительного хранения большого количества продукции и планомерного снабжения ими крупных городов или ра访。нов через розничную торговлю. Л ля этого в магазинах и на пре 口 приятиях общественного питания имеются торговые холодиль' ники - предпоследнее звено или последнее. Наконец, ”х。川 дильная цепь” заканчивается домашним (бытовым) холодильником, откуда пищевые продукты поступают на семейный стол.
Все звенья ^холодильной цепи”, кроме последнего, обслу** ваются многочисленными холодильными установками промыв ленного типа, об истории которых мы уже говорили.
Конечно, в своем окончательном виде ^холодильная цепь сложилась не сразу. Наибольшие трудности вызывал холоп心 ный транспорт и последнее звено - домашний (или, как еГС иногда называют, - бытовой) холодильник.
Холодильный транспорт, как мы уже видели, зародился в пледяном (или льдосоляном) варианте” егце в древности м
существовал до середины XX в. Однако очевидные его недо- дтки (необходимость в запасах льда, который нужно возить “соб。说，образование больших количеств жидкого рассола, с ожиость обслуживания) неизбежно вели к замене его машин- ^ыМ охлаждением1. Первыми сделали попытки применить хо- лодильные установки судов л ад ельцы. На судах существовал даровой двигатель, который можно было использовать. Кроме эТОГо, суда могли перевозить большое количество груза и на большие расстояния. Но при этом возникло много трудностей самог。разного характера. От первых неудач пострадали, как пОчти всегда и бывает, первопроходцы - пионеры холодиль- ного транспорта. Первым из них был, по-видимому, Гаррисон, уе упоминавшийся нами ранее, который предпринял в 1873 г. неудачную операцию по доставке дешевого мороженого мяса из Австралии в Лондон.
В России приоритет в использовании холодильных установок
на транспорте принадлежит, по-видимому, астраханскому рыбопромышленнику Г. Л. Супуку. В 1888 г. он построил специальную баржу, которую теперь бы назвали рефрижераторной, грузоподъемностью примерно 160 т (1000 пудов). Это было первое
судно, предназначенное не только для перевозки замороженного груза, но и его замор аж ив ан ия, с очень хорошо продуманной конструкцией.
Воздушные холодильные машины системы Лайтфут [одна с мощностью привода 25 (18,4 кВт) и другая 10 л.с. (7,4 кВт)] были установлены в носовом и кормовом отсеках. Паровая машина, приводившая их в движение, размещалась на палубе. Холодильные камеры были изолированы двойными стенками, между которыми насыпалась тепловая изоляция (угольная мелочь и опилки). Холодный воздух транспортировался в камеры по деревянным трубам. Каждая машина обслуживала свою половину баржи, но была предусмотрена возможность переключения и на другую. Холодный воздух п-*^пе машины сначала поступал на сепаратор, где отделялся снег, образовавшийся в
Единственный вид холодильного транспорта, безупречно работавшего долгие годы без всяких машин, был основан на непосредственном использо- 8aHни зимних морозов в Сибири и на Севере европейской части России. Заморо-
машине из водяного пара, содержавшегося в воздухе, а затем в морозильное помещение. В каждом из них можно было р^ местить на решетчатых полках до 4 т свежей рыбы. При % работке холодным воздухом с температурой」5+-25»С рыба 呱 мораживалась меньше чем за 1 сут (самая крупная - за 1,5 咖］ Отсюда воздух поступал в камеры хранения, где температур была выше (-3+-5*С)・
В августе 1888 г. прошли испытания, и баржа стала hchq% зеваться для доставки рыбы из Астрахани в Нижний Новгород
Однако в дальнейшем выяснилось, что при относительно длительном хранении происходила усушка рыбы (до 15% За 2-5 мес) и соответствующее снижение ее качества. Объясни лось это тем, что холодный воздух был сухим (напомним, что влага из него вымерзала в виде снега, который отделялся) н подавался прямо на незапакованную рыбу.
Характерно, что причиной неудачи была не холодильная установка, которая прекрасно работала, а недоработка техноло- гии обработки рыбы (которую, кстати, легко было бы устранить путем упаковки рыбы в блоки). Однако решение не было найдено, и Супук разорился.
Эти первые неудачи не остановили, разумеется, использо' вание холодильных установок для транспортировки пищевыт продуктов. Были разработаны как надежные холодильные установки, предназначенные для разных видов транспорта (морского и речного, железнодорожного, автомобильного и воздуш- ного), так и технологии охлаждения, замораживания и хранения, соответствующие особенностям каждого продукта.
"Холодильная цепь55, скрепленная теми или иными звеньями транспорта, приводит в конце концов продукт к потребителю -либо в холодильные предприятия общественного питания, либо в домашний холодильник.
Замыкающий цепь домашний холодильник - устройство во многом спепифическое. Первые его образцы появились после окончания первой мировой войны, а серийный выпуск начался в 1920 г. Однако массовое распространение домашние х。力°’ дильники получили начиная с 30-х годов сначала в США, потом и в других странах.
Такой существенный сдвиг по времени по сравнению с пр0' мышленными холодильными установками объясняется теМ) что требования к домашнему холодильнику намного жестче Ведь в нем сочетаются и двигатель с холодильным агрегатов' 200
изолированное помещение для охлаждения, замораживания И хранения продуктов. Он должен быть автоматизирован, не ^來口аться в постоянном обслуживании, иметь надежную теп- новую изоляцию, не создавать шума и вибрации и, наконец, соответствовать требованиям эстетики. Ко всему прочему он
-жен быть и ^^бoлвaнoycтoйчивым^^ - не выходить из строя.- 口ри любых ошибках хозяйки (или хозяина), связанных с неуме- “ Н“ем обращаться с техникой. Первые домашние холодильники не могли полностью соответствовать этим требованиям. Только с появлением агрегатов, в которых компрессор вместе с дви- гателем заключен в герметичный кожух, задача была решена. Интересно, что идею герметичного агрегата предложил еще, в 1905 г. человек, специальность которого очень далека от холодильной техники, - французский католический аббат Одифрен.
Был и другой очень соблазнительный вариант - сделать абсорбционные холодильники. Ведь в этом случае можно было бы обойтись вообще без компрессора и двигателя, а просто подогревать генератор электрическим током (или газовой горелкой). Однако эту прекрасную идею губила необходимость в насосе крепкого раствора - он хотя и проще и меньше компрее-.
сора, но все же машина с приводом.
Изобретатели давно мечтали создать безнасосную абсорб- иионную холодильную установку непрерывного действия. Еще в 1899 г. Г. Гепперт придумал очень остроумный принцип, позволяющий осуществить эту мечту. Он предложил включить в цикл кроме абсорбента и абсорбата третье вещество - нейтральный газ, который позволял бы иметь во всем пикле одинаковое общее давление, а расширение рабочего тела осуществлять изменением парпиальных давлений компонентов смеси. Однако Гепперт не мог найти подходящий нейтральный газ. Предложенный им для этой пели воздух плохо диффундировал в аммиак (а это должно было происходить, как мы увидим, быстро). Только через четверть века, в 1925 г., Б. фон Платен и К. Мунтере, предложившие для этой пели водород, создали такую холодильную установку на смеси NH3, Н2О и Н2; она оказалась очень удобной и надежной. Появились и домашние
холодильники с такой абсорбционно-диффузионной установкой и электронагревом генератора (типа "Север” и ,,Морозко,,)< Единственный (но существенный) недостаток таких холодильников -пока примерно вдвое больший расход электроэнергии по сравнению с компрессионными.
Схема абсорбционно-диффузионного холодильного агрегата представлена на рис. 6.7. Отметим, что в этом агрегате, в отличие от классической абсорбционной установки непрерывного действия (см. рис. 6.4), устанавливаются не два давания (высокое - в генераторе, дефлегматоре и конденсаторе и низкое - в абсорбере и испарителе), а одно и то же во всех аппаратах -около 1,6 МПа (16 ат). Меняются только парциальные давления отдельных компонентов - Н2О, NH3 и Н2.
В генераторе посрэдством электрического или газового нагрева кипятится крепкий раствор аммиака. Пар, содержащий некоторое количество воды, поступает в дефлегматор, где 0сяедствие охлаждения наружным воздухом пары аммиака освобождаются от воды и направляются в конденсатор, в котором переходят в жидкость. Тепло от конденсатора тоже отводится наружным воздухом. Далее жидкий аммиак сливается в теплообменник, где дополнительно охлаждается возвращающимся из испарителя холодным парообразным аммиаком. Таким образом, в этой части все процессы идут так же, как в обычной абсорбционной установке. Но дальше начинает работать идея Гепперта - происходит дросселирование аммиака, но без дросселя. Аммиак попадает в атмосферу находящегося в испарителе водорода, и его давление понижается до 0,4 МПа (4 ат) - остальные 1,2 МПа (12 ат) приходятся на водород. Поэтому аммиак исправно кипит, отводя тепло из холодильника. При этом он ведет себя в соответствии с законом Дальтона так, будто водорода вообще здесь нет. Дальше смесь парообразного амхиака и водорода отводится через регенеративный теплообменник к абсорберу, охлаждаемому наружным воздухом.
Одновременно в абсорбер поступает из генератора слабый раствор, поглощающий аммиак, и полученный крепкий раствор возвращается в генератор. Водород туда попасть не может - ему мешает гидравлический затвор в абсорбере, образованный раствором; поэтому водороду ничего другого не остается, как возвратиться в испаритель и снова разбавлять аммиак, снижая его парциальное давление.
Все аппараты абсорбционно-диффузионного агрегата находятся вне холодильной камеры; внутрь помещен только испа- ритель.
Возникает вопрос: почему, хотя общее давление внутри системы одинаковое, ее содержимое исправно ииркулирует по описанному маршруту? Эго объясняется очень просто: жидкий Раствор в абсорбере и трубопроводах тяжелее, чем парожид- Костная смесь в генераторе, состоящая из жидкости и пу・ 3Ь1рьков пара. Поэтому она по мере испарения все время втека- ет в генератор. Этот принцип естественной циркуляции (нтер- Мосифон”) широко используется в испарительных установках.
Современные домашние холодильники, как компрессионные, так и абсорбционные, обычно имеют две (а некоторые
модели и три) камеры, одна из которых холодильная, а 吶 гая (или другие) - морозильные. В зависимости от темпера туры в морозильнике холодильники маркируются звездо^ ми (символическими_снежинками):
*(одна звездочка—6
** (две звездочки) -12
*** (три звездочки) -18
**** (четыре звездочки)……-24
Здесь так же, как у коньяка, - чем больше звездочек, те^ качество выше!
Морозильная камера позволяет в домашних условиях не только месяцами хранить готовые замороженные продукты, но и производить в случае необходимости замораживание самых разнообразных продуктов - от фруктов до теста.
Таким образом, домашний холодильник - универсальный агрегат, который постоянно совершенствуется на базе последних достижений холодильной техники. Это относится и к самому холодильному агрегату, и к тепловой изоляции, автоматике. Появляются холодильники с программируемым температурным режимом и даже такие, которые приятным женским (или по желанию потребителя мужским) голосом указывают хозяйке (хозяину) на его неверные или ошибочные действия при обращении с холодильником и дают советы, как поступить в том или ином случае. В перспективе можно ожидать и такое высказывание холодильника: "Нто же ты, бабуся, кладешь в меня валокордин и кардиамин - ведь это лекарства с эфирными маслами. Они от холода теряют свои свойства. Лучше положи в меня кекс и пирог, оставшийся от праздника,- они будут свежими и к следующему,*. Так или иначе, в обозримой перспективе именно домашним холодильником, независимо от того, каким станет его искусственный интеллект, будет замыкаться ^холодильная цепь”.
В заключение нужно отметить, что уже современные возможности холодильного храненияя и транспорта позволяют в любое время года, в любом месте земного шара иметь круглый год в нужном количестве свежим любой вид продовольствеН' ных товаров - мясо, рыбу, молочные продукты, овопхи ” фрукты.
Из сказанного можно сделать вывод, что холодильная те" ника позволяет свести к нулю (или к минимуму) потери пишв'
нх продуктов на пути от производителя к потребителю. Увы, 9To далеко не так. Возможность и действительность здесь (как 0 в。многих других случаях) далеко не совпадают. В мире те- яеТСя в связи с этим, по данным Международного института ^оЛОда, около миллиарда тонн продовольствия в год. Это сос- тавляет в срепнем 20% общего количества вырабатываемых сельскохозяйственных продуктов. К сожалению, наша страна занимает по части таких потерь далеко не последнее место.
Вопрос о том, в какой степени в каждом случае дело связа-
н0 с недостаточным количеством холодильной техники, отно- сительно мало访 вместимостью холодильников в цепи или орга- низаиионными, экономическими и другими факторами, выхо- дит за пределы нашей книги. Очевидно лишь одно: стоимость потерь продуктов для общества намного превышает те затра- ты, которые необходимы для создания и эксплуатации ^холо- дильной цепи5\ Более того, по мере совершенствования холодильной техники и технологии эти затраты (в частности, на энергию и материалы) могут быть существенно снижены.
ЧТО ЕЩЕ МОЖЕТ СДЕЛАТЬ ПОЛЕЗНОГО
ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА
При всей жизненной важности для человечества ^холодиль- ной цепи” она далеко не исчерпывает всех возможностей, которые дает (и может дать в дальнейшем) холод в самых различных его приложениях.
Если описывать более или менее подробно все существующие и предлагаемые направления полезного использования холода, понадобилось бы несколько толстых томов. Поэтому мы сделаем иначе: дадим перечисление направлений и технологий, связанных с применением холодильных установок, снабдив их лишь краткими комментариями. Что же касается использования природного холода, и в частности водяного льда, то - этому посвящен § 6.4.
Начнем с применения холода в пищевых технологиях. При этом прежде всего нужно упомянуть традиционные области пРименения холода, и главную из них область пивоваренного производства, ведущие деятели которого - баварские пивовары так хорошо поддержали в свое время работы К. Линде.
Для пивоваров, в отличие от виноделов, охлаждение осо- бенно важно: ведь пивное сусло получают из исходных продук-
205
тов в результате варки, поэтому его нужно охладить от бол» высокой температуры, чем вино. Да и само брожение пива пр： исходит при температуре от 5 до ГС (вина - при 15-12℃). КрОм зтого, хранение пива требует тоже более низкой темпера^ ры, чем хранение вина. У
Наконец, нельзя не упомянуть о том, что и пиво, и мно% сорта вин (например, шампанское) необходимо подавать к 執j. лу охлажденными. Вспомним А. С. Пушкина: ,л|й-
Вдовы Клико или Моэта 'Ш Благословенное вино
В бутылке мерзлой для поэта На стол тотчас принесено.
Кроме пивоварения, виноделия и охлаждения напитков уже r начале XX в. появилось много и других приложений холода, Об этом много писали в журналах и газетах, поскольку общест. венный интерес к холодильным (как тогда говорили мфригори- фическимп) делам был достаточно большим. Приведем лишь о口ин пример. Вот что писал в 1911 г. инж. В. Агафонов на стра. нпиах русской популярной газеты "Речь": "За последние 5-10 лет фригорифические машины нашли самое неожиданное применение. Вы встретите их и в шоколадном производстве, где холод применяется при процессе вынимания шоколада из форм, и на новейших фабриках искусственного шелка, и на стеариновых, маргариновых и каучуковых заводах, и на фабриках красок, духов, клея, бензола, вообще во многих производствах химических и фармацевтических продуктов, гххе холод фригорифической машины заменяет теперь прежнее охлаждение естественным льдом.
За самое последнее время потребовались обширные фригорифические установки, как на суше - в артиллерийских скла* 口ах, так и на военных судах - для сохранения бездымного но・ роха, в состав которого входит нитроклетчатка; благодаря самопроизвольным взрывам этого пороха, унесено много человечес- ких жизней и погибло несколько военных кораблей. Сохране* ние же этого пороха при определенной температуре, регулируе- м°й фригорифической машиной, предупреждает эти самопроизвольные взрывы”.
В последнее время список приложений холода почти полностью сохранился и значительно расширился. Многие про* изводства вообще не могли бы существовать без широкого использования холодильной техники.
Все большее применение находит холодильная техника в других, кроме существовавших в начале нашего века отрас- ” х пищевой промышленности, благодаря тому, что охлажден- [е сырье и полуфабрикаты легче подвергаются обработке е3анию, дроблению, формованию), чем имеющие комнатную ^мпературу* Охлаждение помогает также экстракции сока из фруктов и овощей. Если одновременно с давлением подвергать нх действию низкой температуры, то количество полученного рка увеличивается примерно на 10%, а содержание в нем полезных аминокислот и витаминов возрастает. Это объясняется тем, что холод разрушает структуру клеток, их мембраны и
ядра.
При этом проявляется своеобразная ,?холодильная диалек- тнка". При охлаждении и замораживании пищевых продуктов для хранения и транспортировки процесс ведут так, чтобы минимально нарушать структуру продукта; при экстракции, напротив, режим охлаждения должен быть максимально разрушающим.
Особое место занимает в пищевых технологиях и "сухо访 леи” - твердый диоксид углерода. Он не только поддерживает низкую температуру, но и увеличение содержания СО2 в газо
вой среде, окружающей многие продукты, способствует более длительному их хранению-
Он же идет для охлаждения, замораживания, транспортировки и хранения пищевых продуктов (в особенности мороженого), газификации питьевой воды, минеральных вод, напитков, шампанского, фруктовых соков и даже для тушения пожаров.
Самые неожиданные результаты могут дать научные знания, если их используют жулики. Сразу после начала бегов на ипподроме города Богота (Колумбия) Литта - отк из самых заурядных лошадей - взяла бешеный темп и пришла к финишу первой. Допинговый контроль ничего не дал. Истина проясни- лась позже: группа дельцов, сговорившись с жокеем, подложи- 门а под седло кусочек сухого льда, который, причиняя лошади боль, заставлял ее скакать на пределе сил. К финишу лед испарился, поэтому сразу установить жульничество не удалось. Нацо быть очень сообразительным человеком, чтобы приду- ?ать такой "холопннй" способ заработать деньги! Однако ^изoбpeтaтeль^^ не учел, что сухой лед оставляет ожог, не мень- 出н〃, чем раскаленный металл.
"Сухой ледм в теплоизолирующей упаковке, как и жидк^ диоксид углерода в баллонах и цистернах» выпускается сог нями тысяч тонн.
Особое место срепп пищевых низкотемпературных технол(> гий занимает приготовление быстрозамороженных разнооб. разных готовых блюд. При этом уже замораживаются не Ис, ходные продукты, а изделия из них, специальным образом упакованные. Потребитель может хранить их в морозильнике и за 10-15 мин приготовить обед (завтрак или ужин), выложив содержимое на сковороду или в кастрюлю. Известно, что качество таких блюд по вкусу и по питательным свойствам при соблюдении технологии очень высокое.
Если необходимо перевозить или переносить пищевые про- дукты без охлаждения, но при сохранении их потребительских свойств (в далеких экспедициях, в космосе, на отдаленных базах и т.п.), применяется еще один способ их обработки - суб- лимационное консервирование.
Идея этого процесса была предложена и запатентована инж. Г. И. Лаппо-Старженеиким еще в 1921 г. Однако впервые • она была реализована, как это часто случается, за рубежом, вернувшись на родину только в 50-е годы.
Основа сублимационной технологий - то самое древнее испарительное охлаждение, о котором мы упоминали еще в историческом обзоре. Если вести его форсированно, откачивая пар над слоем воды, то, как показал еще в 1775 г. В. Гюллен (см. гл. 3), можно даже заморозить воду. Для этого давление пара должно снизиться примерно до 600 Па, но этот процесс можно и продолжить. Тогда при дальнейшей откачке пара начнется сублимация - лед будет охлаждаться и до более низких температур, частично переходя непосредственно в пар (см. рис. 2.7).
Если вместо сосуда с водой поместить в вакуумной камере какой-либо продукт, содержащий воду (мясо, рыбу, молочные продукты и др.), то с водой, содержащейся в нем, будет происходить то же самое. Пар будет уходить через поры, а остающаяся вода постепенно замерзнет; испарение перейдет в сублимацию. Процесс можно продолжать до тех пор, пока в орга- нических тканях не останется всего 2-5% влаги. Если вести . это обезвоживание при нужной скорости, все биологические процессы в продукте замирают и останавливаются. Мпкростр* тура продукта не нарушается - сохраняются все его питатель* ные и вкусовые качества.
Такой продукт при хранении в таре, непроницаемой для рОздуха и паров воды, может сохраняться годами, не изменяя своих свойств. Перед использованием в него лишь нужно добавить воду - он разбухает до первоначального объема, а вкус, питательные качества и даже цвет - сразу восстанавливаются.
"Вкусная тема” ,?пища и холоп” - поистине, неисчерпаема; мо»но говорить и писать об этом очень много. Но пора перейти и к другим приложениям холода. Однако, прежде чем это сделать, нельзя не упомянуть, хотя бы в нескольких словах, 0 русских национальных замороженных блюдах - сибирских пельменях, караваях хлеба и пирогах с разной начинкой - рыбой, ливером и др. После длительного пребывания на морозе хлеб и пироги делались, побывав в русской печи, пышными и румяными, а корочка на них хрустела не хуже, чем на только что испеченных. Особенно прославился изготовлением мороженого хлеба знаменитый московский булочник Филиппов. Благодаря ему сибиряки могли зимой иметь такой же хлеб, как москвичи и петербуржцы.
Расставшись с гастрономическими применениями холода, перейдем к более фундаментальным направлениям его использования, связанным со строительством и промышленным производством.
Говоря о строительстве, нужно прежде всего вспомнить о главном направлении применения холода - замораживании грунтов. Оно используется при строительстве подземных сооружений -туннелей, шахт, фундаментов плотин и зданий, подземных хранилищ.
При замораживании грунтов содержащаяся в них вода затвердевает и скрепляет подобно цементу частицы грунта в прочный монолит, не пропускающий воду. Его успешно применяют при мощности водоносных слоев в сотни метров.
К 1980 г. при защите работ таким способом пройдено только в горнорудной и угольной отечественных отраслях свыше 700 вертикальных и наклонных стволов общей длиной более 60 км. Самые длинные из них построены на Яковлевском железорудном месторождении (Курской магнитной аномалии), их глубина достигает 600 м.
Самый распространенный способ замораживания - использование специальных колонок (рис. 6.8). В предварительно пробуренные скважины (вертикальные или наклонные) опускают такие замораживающие колонки, по которым после их установ-
Рис. 6.8. Колонка для замораживания грунта:
1,2 — вход и выход хладоносителя; 3 — зона р&живания
ки пропускают хладоноситель, например рассол СаС12, с температурой -(20-5-25)℃. Он подается во внутреннюю трубу и возвращается по наружной, охлаждая грунт через металлическую стенку. Вокруг каж. дой колонки намерзает ледогрунтовой цилиндр, диаметр которого растет до тех пор, пока он не смыкается с соседним в плотную стенку из замороженного грунта. Охлаждение рассола производится обычно с помощью транспортной холодильной
установки.
В зависимости от вида сооружения замораживание грунта либо прекращают после окончания строительства, либо поддерживают в течение всего срока его эксплуатации.
Другое направление использования холода в строительстве 一 это охлаждение бетона перед кладкой и после нее в период затвердевания бетона. Охлаждение нужно для похщержа- ния соответствующего температурного режима, поскольку бетон при затвердевании выделяет тепло; при этом нужно поддерживать температуры не ниже 0℃.
Среди промышленных производств пнегастрономическогои характера по масштабам использования холода первое место занимают три родственные отрасли - химическая, нефтяная и газовая.
В химической промышленности холод применяется в самых различных производствах: получение связанного азота (азотной кислоты, аммиака, азотных удобрений), этилена, синтетического каучука, пластмасс, фармацевтических и биохимических продуктов. Без охлаждения все эти технологии просто не могли бы суще ствовать.
210
Назначение холодильных агрегатов в этих производствах - ”0 либо поддержание необходимого температурного режи- М“ задаваемого соответствующей технологией, либо перевод в ^ндкое или твердое состояние пр оме ж уточных или конечных прОдуктов. Необходимые низкие температуры здесь самые разнообразные. Для примера можно привести температурные уровни отвода тепла при производстве бутилкаучука: -ПО; 40； -20; 0; +7℃. Мощность холодильных установок при этом мо- *ет достигать очень больших значений - десятков мегаватт1.
В нефтяной и газовой отраслях промышленности холод ну- ^ен главным образом для того, чтобы выделить из смесей те ийи другие их компоненты путем вымораживания (из жидкости) или конденсации (из газа).
Примером процесса вымораживания может служить широко применяемая в нефтяной промышленности так называемая Депарафинизация масел” - выделение из них парафина. Подготовка природного газа к транспортированию - пример процесса конденсации. Газ, добываемый из скважин, может содержать воду и тяжелые углеводороды как в жидком, так и в газообразном состоянии, а также механические примеси. В таком виде его, естественно, нельзя пускать в трубопроводы и направлять к потребителю. Вода, соединяясь с углеводородами, образует кристаллогидраты, которые могут забить трубопровод. Другие углеводороды нужно выделять, так как они представляют собой ценное сырье. Очистку газа начинают с сепарации твердых и жидких примесей. В газе остаются водяной пар и различные углеводороды в газообразном состоянии. Их и удаляют путем низкотемпературной конденсации. Температура охлаждения при этом составляет от -5 до -25℃ в зависимости от того, в какие районы поставляется газ. Очевидно, что для холодных районов температура сепарации должна быть ниже; в противном случае ,,недоделанная?, часть сепарации произойдет в самом газопроводе на пути к потребителю.
Под мощностью в этом случае подразумевается количество выдаваемого Установкой холода — холодопроизводительность в единицу времени, а не Мощность, затрачиваемая на приводе установки. Считать производительность по потребляемой энергии 一 то же самое, что оценивать человека не по тому, как он работает, а по тому, сколько он съедает или получает (к сожалению, та- к°й способ оценки еше часто используется и в обыденной жизни, и в технике).
Интересно, что в большинстве случаев низкотемпературна сепарация газа ведется "на самообслуживании,5, без специ> альных холодильных установок. Газ выходит из скважин боль, шей частью под высоким пластовым давлением, превышающие 10 МПа. Поэтому холод можно получить простым его дроссе. лированием, используя принцип Линде. Понижение темпера, туры в дросселе составляет несколько десятков градусов.
Более того, поскольку уже очищенный газ подается по ма* гистральным трубопроводам под высоким давлением, а затем его давление должно быть снижено в газовых сетях потребителей, создается возможность использовать этот перепад дав. лений для получения холода. При этом энергия не только не затрачивается, а наоборот, может быть получена, если расширение газа вести в турбодетандерах. На основе использования такого ?,газового холопа” уже проектируются холодильники рядом с крупными потребителями газового топлива - городами, электростанциями и предприятиями.
Можно было бы еще долго перечислять и другие многочисленные направления применения холода - в машина строении, медицине, радиотехнике, космической технике и научных исследованиях. Поскольку они, как правило, требуют значительно более низких температур, их удобнее описать в гл. 7, посвященной достижениям в криогенной области.
Здесь же нужно сказать несколько слов о еще двух важнейших приложениях холодильной техники, имеющих непосредственное отношение к условиям жизни, работы и отдыха современного человека.
Первое из них -кондиционирование воздуха в жилых, производственных и общественных зданиях, а также на транспорте. Под кондиционированием подразумевается поддержание в помещениях мкондиний?, - комфортных условий по температуре и влажности воздуха.
Для нас представляет интерес та часть этой задачи, которая относится к охлаждению воздуха в летнее время. Это9 как отметил еще Ф. Бэкон, - более трудная задача, чем отопление зимой. Если не считать императора Гелиогабала и халифа Махди, пользовавшихся для этой цели снегом, то основополож*
ннком кондиционирования нужно признать уже известного н&м врача и изобретателя Дж. Горри1.
В 50-х годах прошлого века идея и различные варианты ох- лаЖденияя воздуха помещений в условиях тропического кли~ мата уже широко обсуждались. В теоретическом ее обоснова- Н0Й принял участие крупный английский инженер и термо- дмнампк Дж Рэнкин; занимался этим и В. Томсон-Кельвин, у冰е в 60-е годы известный нам изобретатель Ф. Карре разработал первые системы кондиционирования воздуха для общественных помещений. С 1898 г. фирма Линде начала регулярно поставлять свои холодильные машины, приспособленные для кондиционирования воздуха. Одна из них успешно работала в игральном зале Монте-Карло, охлаждая разгоряченных игроков в рулетку.
Широкое развитие кондиционирование воздуха в современном смысле этого термина - с регулированием не только температуры, но и влажности воздуха в сочетании с его очисткой получило в результате работ В. Кэррйера, создавшего в США крупную фирму, выпускающую и теперь соответствующее оборудование. Кондиционирование распространилось по всему миру; оно применяется в жилых помещениях, гостиницах, театрах, концертных и кинозалах, школах, служебных и производственных помещениях, поездах, самолетах, морских и речных судах... и, естественно, в космических кораблях.
Второе направление использования холодильной техники - в быту. Оно связано с отдыхом и спортом. Коньки, известные с древнейших времен, были и остались одним из самых популярных видов развлечения и спорта для народов, живущих на севере и в умеренном климате. Однако коньками можно было пользоваться лишь зимой, и то не при всякой погоде. В южных странах вообще об этом не могло быть и речи.
Появление холодильной техники сделало возможным созда- ние искусственных ледяных катков и беговых дорожек в любой климатической зоне. Сначала такие катки делались в закры-
Pud 6,9. Первый искусственный каток (1876 г.)
ты* помещениях, а потом, при появлении более мощных холодильных установок, и на открытом воздухе.
Первый искусственный каток (вернее, спортивная ледяная беговая дорожка) был открыт в Челси (Великобритания) в 1876 г.; затем известный нам Пикте построил в Женеве первый большой искусственный каток (рис. 6.9). Если исключить разницу в одежде и головных уборах, то вид этого катка будет мало отличаться от современного. Сейчас такие сооружения распространены во всем мире. Они могут устраиваться как в помещениях, так и на открытом воздухе, могут быть самого разного размера, как стационарными, так и разборньши для возможности транспор тир овк и. Например, группы балета на льду используют при гастролях передвижные катки размером 20x15 м・ Самые большие катки (типа спортивного комплекса в Меле。, вблизи Алма-Аты) имеют площади более 10000 м2.
Температура поверхности льда устанавливается в зависимости от характера использования катка Т。，5f 2)℃ - для скоростного бега на коньках; -1,5℃ 一 для фигурного катания и -(4+5)℃ - для хоккея (здесь, естественно, условия самые тяжелые).
Существуют еще и другие много чи с ленные и самые разно- образнне применения холодильной техники: от медицины -ги- 口отермня (охлаждение головного мозга пациента на время оПераиии) до опреснения воды в результате вымораживания (лед, полученный из морской воды, остается пресным), осушки воздуха или обработки семян холодом... Все даже трудно перечислить, тем более что почти каждый день появляются все но- вЫе и новые идеи и разработки. Иногда они относятся к очень большим проблемам (например, искусственное увеличение запасов воды в ледниках1), а иногда и к частным, но не лишенным интереса.
Приведем для примера два недавно появившихся неболь- щих сообщения в печати, относящихся к частным проблемам. Объекты охлаждения в них существенно различаются, но це* ди - сходны.
5,У Вас болит голова? Давайте попробуем новый способ ле* чения: холод. Пластиковая подушка, заполненная желеобразным замороженным веществом, разработана и испытана специалистами двух ведущих американских неврологических клиник. Вы можете постоянно держать ее в морозильном отделении Вашего холодильника, а в нужном случае, надев хлопчатобумажную наволочку, удобно расположить ее вокруг шеи и затылка. Откиньтесь на спинку кресла и закройте глаза. Вам не придется ждать дольше 20 минут!
"Вредное воздействие теплового стресса на свиноматок, находящихся в родильных станках, можно уменьшить с по- могцью приспособления для искусственного охлаждения рылаи.
Совершенно естественно, что разнообразные возможности холодильной техники не остались без внимания и писателей» фантастов. На русском языке были написаны две научно- фантастические ^холодильные5* повести. Автором первой был известный в свое время инженер-холодильщик Н. С. Комаров. Его повесть "ХолопннМ город55 выдержала три издания (последнее в 1927 г.). Действие повести проходит в ХХП в. и связано с глобальным потеплением вследствие неустановленных причин,
Подробно об этом рассказано в § 6.4.
которое грозило неисчислимыми бедами всему человече. ству. -
Герой повести - американец Том Хэд, главный инженер "Арк. тической компании холодильных машин55 - решил построить ,5Холодный город*5 -Колтаун (от английских слов cold и town) в котором могли бы в нормальных условиях, изолированные от атмосферы, жить 10 млн. человек. Кондиционирование воздуха (если пользоваться современной терминологией) и дру. гие холодильные нужды города должны были обеспечивать крупные холодильные установки на базе турбокомпрессоров, дающие каждая 500 млн. фригорий в час. Температура воздуха в городе площадью 100 км2 должна была постоянно поддерживаться на уровне +15℃.
Развернулась кипучая работа по строительству Колтауна. В ней принимал активное участие и русский инженер Комов, приехавший к Хэду из России, работавший до этого в Туркестане.
Основную часть рабочей силы, обеспечивавшей строительство города, составляли китайские рабочие, подвергавшиеся жестокой эксплуатации фирмой, которая финансировала ра・ боты. Рабочие объявили забастовку, которая была жестоко подавлена. Работы возобновились, но забастовщики решили отомстить - для них Колтаун и все вложенные в него идеи были чужды - чудесный город предназначался другим. И когда уже почти все было закончено, начались испытания и пробные пуски холодильного оборудования, тайная организация забастовщиков взорвала город. Т. Хэд - автор проекта и технический руководитель работ, погиб вместе с городом. Инженер из Польши Чарская и Комов, работавшие совместно на строительстве Колтауна, остались живы и уехали в Россию. Турбоход, на котором Комов и Чарская пересекли океан, назывался ^^Bпepeд^^. В
роССии они собирались уже в новых условиях продолжить и завершить дело, начатое Хэдом.
В повести есть все, что должно быть (кроме науки и техники) в литературе научно-фантастического жанра: опасности и при- «дючения, любовь и смерть...
для нас теперь особый интерес представляют научно-техни- иеСкие прогнозы автора, и особенно та их часть, которая отно- сиТся к России. Здесь есть много любопытного. Прежде всего, 9To предсказание о том, что "к концу XX в. холодильное дело достигнет наибольшего развития в Европе, именно в необъят- НОЙ России”. В частности, Комаров предсказывал, что в это время ^холодильники Москвы при населении в 5 млн человек ^огут вместить около 4 млн пудов различных скоропортящихся пищевых продуктов”. Насчет населения он ошибся в 2 раза, а что касается вместимости московских холодильников, то в 1990 г. она составила 904 тыс. т (14,5 млн пудов), т.е. более чем в Зраза выше.
Предсказал Комаров и то, что именно в Москве соберется 21-й Всемирный холодильный конгресс. В этом случае жизнь даже опередила предсказание: Конгресс Международного института холода действительно собрался в Москве, но не 21-й, а 15-й, и значительно раньше - в 1975 г.
Что касается техники, то в книге говорится о многих изобретениях, очень близких к тем, которые действительно появились (и не в ХХП в” а в конце XX в.). Упоминаются, например, изолирующий материал "атермит”，сделанный из пористого вакуумированного стекла, охлаждаемые костюмы рпго" из пористого материала и др. Вместе с тем автор несколько недооценил возможности будущей техники: он пишет об уникальных электродвигателях мощностью 60 000 кВт (уже сейчас изготовляются и работают двигатели мощностью 100000 кВт). Есть в книге и ряд других прогнозов, которые не совсем удачны. Отметим в заключение, что в ней есть и некоторые предостережения, относящиеся не к технике, а к быту и образу жизни людрй XXII в. В частности, упоминаются и ,,адамитьР, - люди, Удивительно напоминающие современных ^хиппи^.
Есть в книге и много других любопытных моментов, показы- &ак)1цих, как представляли себе будущее люди начала XX в.
,,Холодильнойп теме посвящен и очень интересный рассказ А. Беляева ,5Пропавший остров", опубликованный впервые в 〔935 г. В нем описывается история создания в Атлантическом
217
океане искусственного ледяного острова, Который преднад начался для промежуточной посадки и заправки горючим 里 молетов, совершающих рейсы между Европой и Америкод Здесь тоже главный герой - талантливый инженер, стапкива恥 щийся с трудностями, создаваемыми общественной системой
Рассказ читается с большим интересом. Несколько упрощен, ная фабула с линейно-свирепой капиталистической конку, ренцией не слишком мешает ходу повествования; автор очень квалифицированно показывает огромные возможности холо- дильной техники.
В принципе, идея рассказа А. Беляева вполне осуществима. Интересно, что план использования плавающих ледяных остро, вов - айсбергов (правда, для несколько других целей) прораба* тывается уже в наше время достаточно серьезно. Но это уже относится к применению природного холода, льда и снега； об этом - в § 6.4. h
6.4. ПРИРОДНЫЕ ХОЛОД И ЛЕД НА СЛУЖБЕ ЧЕЛОВЕКУ - 轟 ДЕЛО НЕ ТОЛЬКО ПРОШЛОГО, НО И БУДУЩЕГО Ж
Холодальная техника, естественно, сильно потеснила за последнее столетие древние способы охлаждения, основанные на использовании природного холода. Заготовка природного льда свелась в наше время почти к нулю. Однако наивно было бы полагать, что холодильная техника, при всех ее достижениях, должна полностью вытеснять из низкотемпературной технологии холод, который дает природа. Отец невесты в "Свадьбе” Чехова, который предпочитал ,5натуральноеп - ”умственному”, был в определенной степени прав. Оказалось, что по мере развития цивилизации, когда задачи организации ее рационального взаимодействия с живой природой (экологические) выходят на первый план, ситуация существенно меняется. Сокра” щение расходов материалов и энергии становится не только экономической задачей, но в полном смысле слова - вопросом жизни. Соответственно возрастает и значение экологически чистого естественного холода.
Рассмотрим небольшой пример. Разве не вызывает сомнений необходимость тратить электроэнергию (а следовательно- топливо и материалы) на работу не только крупных, но и 6口付 вых холодильников зимой, когда рядом^ за стеной, темпера呼 ра воздуха такая же, как и в холодильнике, а иногда не вьпи6' 218
чем в морозильнике с четырьмя звездочками? Можно возразить, ЧТО холодильной техникой пользоваться удобнее 一 она не зависит от капризов природы, легко регулируется... Это, конеч- I но, верно, но не может изменить дела в принципе. Можно, по- видимому, найти пути, позволяющие и в этом, и в других случаях, используя природный холод, сократить расход материальных и энергетических ресурсов.
Однако этим дело не исчерпывается. Природный холод и лед можно использовать не только пассивно для охлаждения, как делали наши предки. Есть и другие, новые возможности, простирающиеся от получения пресной воды в засушливых районах до выработки электроэнергии на базе природного i холода. Кроме этого, изучение живой природы Севера и других I холодных районов Земли дает интереснейший материал для использования ее секретов в практических целях.
Прежде чем перейти к анализу возможностей, полезно про- вести некоторую ',инвентаризацию,? - посмотреть, какими запа- самя льда мы (т.е. человечество) располагаем. Не возникнет ли опасение, что их нехтостаточно?
Общие запасы природного льда на Земле превышают 30 млн км3 - это куб со стороной, равной 311 км! Если его поставить на поверхность Земли, то верхняя грань выйдет в Космос I на уровень, где летает большинство искусственных спутников. I Основная его масса сосредоточена в ледниках Антарктиды, Гренландии и горных районов. Второе место занимают подзем- нме льды (вечная мерзлота); их в 60 раз меньше, чем леднико- вых. Тем не менее их очень много. В России вечной мерзлотой
I занята колоссальная площадь 一 около 10 млн км2 (примерно 47% территории). В Канаде и Аляске доля ее еще больше (соответственно 50 и 80%).
Третье и четвертое места занимают морские льды и снеж- Ньг^ покров. Хотя здесь льда в сотни и тысячи раз меньше, чем в ледниках, его и в таком виде более чем достаточно.
Наконец, некоторое количество льда и снега находится в I а™℃Фере. Лед и снег образуются при конденсации водяного ；&ра, поднимающегося с поверхности земли, морей и океанов, аким образом, испарившаяся вода возвращается на землю "е только в виде дождя, но и в замороженном виде - как снег "гран В отличие от снега град выпадает летом и не только в ^^дних широтах, но и в южных районах, и даже в тропиках - н Африке, Индии, Средней Азии, на Кавказе и др. Градины бы-
вают самыми разными, иногда они достигают очень больщ^ размеров - до 10-15 см в поперечнике и даже более. Известен случай, когда градина (в Индии, 1961 г.) убила слона. Ее мас^ была равна 3 кг. Очевидно, однако, что такого рода "естествен, ный холод*9 мало пригоден для использования, хотя и падае-у с неба в теплое время.
Несмотря на колоссальные общие запасы всех видов пр^. родного льда, необходимо его разумное использование, не нару. тающее локального природного равновесия. При соблюдении этого условия природный холод может дать многие полезные результаты. Здесь мы расскажем только о четырех направле. ниях, о которых упоминалось выше.
Начнем краткий их обзор с классического применения для низкотемпературного хранения продуктов. Оно может быть как сезонным, так и круглогодичным.
Сезонное летнее хранение осуществляется, как известно, noqjencTBOM льда, заготовляемого зимой. Расцвет этого издревле известного вида хранения продуктов наступил, когда холодильные машины еще не получили массового распространения, а объем хранения и транспортировки пищевых продуктов уже резко возрос. Природный лед стал ходовым товаром.
Приоритет в торговле природным льдом принадлежит американцам. Еще в начале XIX в. Ф. Тюдор (не имеющий отношения к английской королевской династии Тюдоров) по прозвищу "Король льпа" организовал в Бостоне фирму, которая экспортировала лед сначала в южные штаты, а затем в Центральную и Южную Америку. В дальнейшем он добрался и до Индии, экспортируя лед в Калькутту! В Гаване и Калькутте лед стоил всего 10-12 центов за килограмм.
Общий объем американского экспорта льда вырос от 130 т в 1806 г. до максимума в 1872 г. - 225 000 т, после чего стал аю- ва снижаться： в 1900 г. он составил только 13 700 т. Заготовка такого количества льда потребовала создания целой отрасли по заготовке льда в зимние месяцы на замерзших реках и озерах северо-востока США. Так как лед использовался и внутри страны, общая его добыча в 70-90-е годы была намного больше, чем экспорт (например, в 1886 г. его было добыто 25 млн D Техника добычи хорошо видна на рис. 3.1, взятом из литератУ' ры того времени. Выпиленные блоки льда (так называемы^ ^пирожные5* по 10-15 т) вытаскивались на берег, пилились 辍 220
части и доставлялись на склад, где сохранялись под слоем опи- 〃ок, служивших теплоизоляцией.
В Европе лед в основном добывался в Норвегии и России как для внутреннего потребления, так и на экспорт. Экспорт 〃ь口а из нашей страны производился вплоть до второй мировой 0ойны; в 1939 г. было вывезено 14 млн т льда, за которые было получено 14 млн руб.
Теперь, к концу XX в” летнее хранение продуктов на базе природного льда почти не применяется.
Иная картина наблюдается с круглогодичным хранением, для него идеально подходит вечная мерзлота - среда, в которой может быть создан практически вечный холодильник. Мы уже упоминали о мамонтенке Лиме, который был обнаружен в верховьях Колымы.Таких находок было великое множест- ро - и не только мамонтов, бизонов и других животных, но и людей. Например, в Андах (Чили) в 1954 г. был найден мальчик-инка, которого похоронили около 500 лет назад в слое вечной мерзлоты. Известны и многочисленные холодные склады пищевых продуктов, оставленные полярными исследователями и обнаруженные спустя много десятилетий последующими экспедициями.
Самый старый склад такого рода - это мясные консервы, оставленные в 1815 г. в Арктике экспедицией русского ученого О. Е. Коцебу. Они были обнаружены в 1905 г. (т.е. через 90 лет) а состоянии, вполне пригодном для питания.
Более разнообразное меню можно было составить из продуктов, оставленных в вечной мерзлоте на Таймыре в 1900 г. экспедицией Э. В. Толля. Там были сухари, банки консервированных ^ей и два запаянных жестяных ящика - один с 6 кг овсянки, & Другой с сахаром, шоколадом и кирпичным наем.
Этот склад обнаружила в 1974 г. экспедиция газеты мКомсо- дольская правпа”. Продукты не только отведали на месте, но и проверили в Москве - как лабораторным путем, так и приго- т°вив и с удовольствием продегустировав щи с мясом и кашей, завершив трапезу чаем с шоколадом.
^тобы выяснить, позволяет ли класс современной отечест- венно讶 пищевой промышленности создать длительно храня- ^И8ся блюда, не уступающие тем, которые готовили у нас й Начале века, рядом со складом Толля в 1974 г. уложили в мер- з^оту новую порцию продуктов, качество которых намечено доверить в 1980, 2000 и 2050 гг. Первая проверка была проведе- "а в срок и показала отличное качество продуктов.
I - штольня; 2 - холодильные камеры; 3 - вентиляционная камера; 4 ~ тамбуры; 5 — жесткая гидроизоляция; 6 — люки; 7, 8 — вечномерзлый и оттаивающий летом грунты
Любопытно отметить, что в вечной мерзлоте хорошо сохраняется дерево (древесина лиственницы, извлеченной вблизи места, где был найден мамонтенок Дима, пахла смолой, как свежесрубленная). Более того, известен случай, описанный английским исследователем М. Блэком: семена арктического люпина после нескольких тысяч лет пребывания в холодных норах полярных мышей-леммингов дали всходы! Научное и практическое значение этих и подобных им фактов трудно переоценить. Если же говорить о существующих промышл^н' ных холодильниках в зоне вечной мерзлоты, то, к сожалению^ их не так много. Они сделаны только в нескольких сибирских городах, в частности в Норильске (вместимостью 450 т продуктов).
Обычно холодильник-мерзлотник устраивается на склоне горы, чтобы можно было проложить в глубь мерзлоты горизо^' тальную штольню, как показано на рис. 6.10. Эксплуатация х°‘
додильника должна, естественно, вестись так, чтобы тепло, уделяемое продуктами и вносимое при загрузке и выгрузке* н© нарушило температурного режима слоя мерзлоты. Лля этого, в частности, на входе предусмотрено несколько последова- ^дьно расположенных тамбуров, а штольня имеет длину, превышающую 100 м.
Экономически такой холодильник очень выгоден, тем бо- “ее что специальных креплений стен и потолков делать не нужно.
Новые пути использования природного льда, выходящие 3a пределы традиционного хранения пищевых продуктов и создающие ряд многообещающих возможностей, привлекают в последнее время все больший интерес.
Получение пресной воды из льда в засушливых районах связано с двумя перспективными группами проектов. Первая из них основана на использовании айсбергов, вторая - на искусственном увеличении массы ледников в горах (и соответственно речного стока от их таяния в летнее время).
Айсберги - плавающие ледяные горы, ^которые откалываются от материковых и шельфовых1 ледников Антарктиды, Арктики и Гренландии и пускаются в плавание по морям. Так как
плотность льда ненамного меньше плотности воды, то большая часть (примерно 9/10) плывущего айсберга скрыта под водой. Высота (а точнее - глубина) их подаодной части достигает десятков, а то и сотен метров. Что касается их площадей и объемов, то они вообще могут быть неправдоподобно огромными, особенно у антарктических, так называемых "столовых”，айсбергов. Один такой уникальный "стол”, обнаруженный в 1966 г., имел площадь, равную площади Бельгии и объ- ем около 5000 км3. Объемы айсбергов порядка 10 и 100 км3 - совершенно рядовое явление. В целом же айсберги уносят в оке* ан только из Антарктиды около 700 млрд т чистейшей пресной в°Пы в год, что составляет более 300 т на каждого жителя Земли.
Совершенно естественно, что возникла идея доставки хотя 6bl небольшой части этой зря пропадающей воды в засушливые 3онЬ1. Правда, есть достаточно эффективные способы опрес* "ения морской воды. Однако пресная вода, полученная из
Шельф (от английского слова shelf - *^юлка*0 - подводное продолжение ма・ 能Рнка, морское дно у побережья, лежащее на глубине 100-200 м.
Рис. 6.11. Возможные маршруты транспортировки айсбергов (по Р.А. Крылад скому, 1985 г.)Рис. 6.11. Возможные маршруты транспортировки айсбергов (по Р.А. Крылад скому, 1985 г.)морской, как и ее дальняя транспортировка, с6хсдятс5^|ю， рого.
Рис. 6.11. Возможные маршруты транспортировки айсбергов (по Р.А. Крылад скому, 1985 г.)
Рис. 6.11. Возможные маршруты транспортировки айсбергов (по Р.А. Крылад скому, 1985 г.)
Несмотря на возможные сложности, связанные с буксирова нием айсбергов на дальние расстояния, и дополнительные затраты (на изоляцию, уменьшение таяния по дороге, прием в гавани, организацию плавления и др.), анализ задачи и расчеты показывают реальность таких предложений.
Например, разработан проект транспортировки айсбергов массой порядка 10 млн т из Антарктиды в Саудовскую Аравию на расстояние примерно 8000 км. Стоимость воды составит около 0,5 дол. за 1 м3, что ниже, чем опресненной морской воды-
Аналогичные расчеты сделаны и для других маршрутов, 口① казанных на карте (рис. 6.11).
Интересно, что при таянии айсберга может быть полуиен° больше воды, чем в нем содержится, - за счет конленсаи"" влаги из воздуха на его холодной поверхности. Есть и 口рУ『"‘ варианты использования льдов Антарктиды, В Австралии Р*з работай предварительный проект пневматической транспорт0' ровки по трубопроводу из Антарктиды смеси дробленого т"'
с РОДОЙ. Проложить такой трубопровод по дну океана не так у 屮ояснс, тем более что от Антарктиды до Австралии не так далеко -всего 4000 км.
Пока эти грандиозные, хотя и вполне реальные (и главное 一 э1сологически чистые) проекты не осуществились; торговля ль口0M айсбергов пока идет только в малом масштабе. Грен- данДия продает его по нескольку десятков тонн в год Японии н США. Хотя он и относительно дорог (пакет льда стоит не- ^олько долларов), спрос на него устойчив - ведь это не просто речной лед, а чистейший продукт, образовавшийся тогда, когда человек еще не успел загрязнить окружающую среду.
Если эта группа проектов основана на использовании уже существующих запасов льда, то вторая идет дальше: здесь идея основана на искусственном увеличении его запасов в горных ледниках.
Известно, что многие реки берут свое начало от тающих горных ледников. Примером могут служить реки Сырдарья и Амударья, истоки которых находятся в горах Памира. Чем больше выпадает снега зимой в горах, тем больше запасы льда в ледниках и тем больше сток рек в летние месяцы. Следовательно, искусственное увеличение в зимнее время количества осадков может дать (при соответствующем масштабе мер) существенную прибавку водного баланса. Оказывается, что это вполне возможно и связано с относительно небольшими затратами. Нужно только создать в атмосфере условия, способствующие конденсации и кристаллизации содержащегося в ней водя- ного пара1. Л ля этого с самолетов выпускают в атмосферу струю хладагента. Наиболее всего для этой цели подходит жидкий диоксид углерода С02, который при дросселировании превращается в порошок сухого льда. Температура кристаллов СОа, равная -78℃, обеспечивает вымораживание паров воды из воздуха. Образовавшиеся мелкие льдинки образуют облака, которые дают осадки в виде снега.
Идея создания искусственных облаков в результате разбрызгивания в ат- Мосфере холодных жидкостей появилась уже давно. Еще в 20-е годы один из ру- ^водителей знаменитой Лейденской лаборатории Камерлинг-Оннеса проф.
Такие опыты производились зимой 1989-1990 гг. в Узбекиста не. В результате распыления СО2 в Искемской долине вьша% снега на 60-100 мм больше, чем обычно (а каждый дополнитель ный 1 м3 воды стоил 0,15 коп.).
Искусственное выпадение снега можно осуществить 吨 относительно небольших затратах (поскольку жидкий диоксид углерода СО2 дешев) на площадях порядка 1000 км.
В горах этим способом можно накопить в ледниках около 10 км3 льда и тем самым не только увеличить сток рек, но и п0. полнить Арал. Этот способ несопоставимо дешевле, чем пресло, вутый ''поворот северных рек”，не говоря уже о том, что не вле. чет за собой никаких вредных последствий1. В атмосфере по. стоянно находится в процессе круговорота 12-13 тыс. км3 воды!
Не менее интересные возможности открывает использова. ние природного холода для выработки электроэнергии в север, ных районах (где она особенно дорога). Решение задачи основа, но, в конечном счете, на идее, высказанной очень давно проф, Д'Арсонвалем в статье, появившейся во французасом журнале ,5Revue Scientifique?, (^Научные известия”) в сентябре 1881 г. Эта статья в то время не произвела особого впечатления и была забыта, так же как и последующие проработки нача. ла XX в., сделанные в США, Германии и Италии.
Сущность иде»заключалась в использовании существующи! в природных условиях разностей температур для работы паросилового цикла, приводящего в движение электрогенератор. Такие разности температур характерны для морей как в тропических условиях, так и в Арктике и Антарктике; в срепни! широтах таких условий нет.
жидкий ДИО^жидкий ДИО^Только в 1926 г. Парижская академия наук получила сообще ние, подписанное Ж.Клодом2 и П.Бушеро, об эксперименталь ной проверке идеи Д'Арсонваля и намерении авторов ссутест вить ее на практике. Они писали: "Как известно, морская вода
жидкий ДИО^
жидкий ДИО^
Количество СО2 в атмосфере тоже не увеличится, так как
углерода добывается из дымовых газов, которые все равно выпускаются
ФеРУ-0ft
0Mеет на глубине 1000 м температуру 4-5℃. С другой стороны, известно, что температура поверхности тропических морей в основном колеблется от 26 до 30℃. Исходя из этих двух фактов, можно набросать грандиозный план использования тепла мс・ рей—
...Использовать глубинные воды на первый взгляд кажется затруднительным. Но эти затруднения легко побороть, так как достаточно опустить до желаемой глубины хорошо изолированную трубу; тогда холодная вода поднимется по этой трубе...”
Ж. Клод после нескольких неудачных попыток, связанных с трудностями при погружении длинной трубы в море, добился на Кубинском побережье частичного успеха. В октябре 1930 г., после погружения трубы на 600 м, используя воду с температурой 14 и 28℃, удалось создать паровой цикл и получить мощность 26 кВт.
На эти опыты Клод и Бушеро потратили из собственных средств около 1 млн долл. Дальнейшие опыты, вследствие ряда неудач, связанных с трудностями погружения трубы на большую глубину, были оставлены.
Однако идея Д'Арсонваля возродилась уже в послевоенные ГОДЫ, только в другом, Полярном ("холодном”) варианте. В нем температуры распределялись наоборот: вода подо льдом значительно теплее холодного воздуха над ним. Даруемая природой разность температур при этом будет значительно больше. На северном побережье России средняя зимняя температура воздуха составляет (с ноября по март) от -25 до -30℃, а воды от 』до -3℃. Нет также необходимости качать воду из глубины「 достаточно опустить трубу под лед. 〔
Предложено много вариантов схем таких электростанций.' Наиболее приемлемая из них показана схематически на рис. 6.12.
Рабочее тело (такое же, как в холодильной установке - аммиак, экологически чистый фреон или углеводород, сконденсированный посредством холодного воздуха) стекает из ^°Нденсатора в насос, откуда подается в испаритель.
11Песь под высоким давлением, создаваемым насосом, он испа-
1
1
Рис. 6.12. Принципиальная схема электростанции, работающей на разности тем ператур холодного воздуха и ^теплой** воды подо льдом:
1 — турбина с электрогенератором; 2 — насос； 3 - конденсатор； 4 — испаритель
ряется, нагреваемый относительно "теггпс^” морской водой. Пар высокого давления поступает в турбину. Работа турбины передается электрогенератору, вырабатывающему электроэнергию, отдаваемую потребителю. Часть этой энергии отдается питательному насосу, перекачивающему жидкость. Отработанный пар низкого давления возвращается в конденсатор, и иикл замыкается. Если в такой схеме использовать, например, аммиак, то его давление в испарителе составит примерно 0,45 ^^Пa, а в конденсаторе ~ 0,17 МПа. Это отношение давлений вполне обеспечивает работу турбины.
Нетрудно видеть, что при этом повторяется классическая схема тепловой электростанции, работающей на водяном паре. Разница состоит только в том, что испарение рабочего тела производится не горячими дымовыми газами, а ^^тeплoй^^ морской водой, а его конденсация - уже не водой, а холодным воздухом. Электростанции такого типа очень перспективны； в зимнее время они могут полностью заменить электростанпиИ, работающие на дорогом дизельном топливе.
К сожалению, работам по созданию, совершенствованию ” внедрению таких электростанций (так же, как и других негр會 диционных источников энергии) в России не уделяется пост® точного внимания.
228
Чтобы завершить этот краткий экскурс во взаимоотношения прмро口него холода и возможностей его использования на бла- г0 человека, необходимо вспомнить о том, что природный лед на водоемах может служить дорогой в зимнее время. Знамени. тая ''дорога жизни,5 через Ладожское озеро, позволившая спас- тн от гибели во время блокады сотни тысяч ленинградцев,- наглядный пример.
Наконец, нельзя пройти мимо того, как природа формировала животный мир Севера и при этом находила чрезвычайно оригинальные решения. Изучение связанных с ними тайн, которые хранит живая природа холодных районов, открывает совершенно неожиданные факты.
Приведем только один пример - устройство шкуры белого медведя. Казалось бы, ничего особенного в ней нет. Действительно, мех густой, теплый, покрывает даже подошвы лап, он смазан жиром, что позволяет ему не намокать в воде. Все это хорошо, но не выходит за пределы привычных представлений. Однако оказалось, что устройство медвежьей шкуры намного сложнее; оно достойно того, чтобы стать одним из объектов бионики1.
Обнаружилось это, когда американские биологи попытались провести "перепись” белых медведей в Арктике простым способом - посредством инфракрасной съемки с воздуха. Считалось, что как бы хорошо не был теплоизолирован медведь своей шкурой, какое-то количество тепл^ должно проникать через нее наружу. Поэтому медведь, более теплый, чем снег, должен быть ясно виден на инфракрасных снимках. Однако оказалось, что его на пленке не видно! Секрет в том, что температура поверхности шкуры медведя практически не отличается от температуры поверхности снега. На снимках в ультрафиолетовых лучах медведь виден, но как темное пятно. Это озна- иает, что медведь не отражает ультрафиолет; напротив, он его, в отличие от поверхности, на которой находится, поглощает! Выяснилось, что волоски медвежьей шерсти полые й представляют собой своеобразный светопровод, подобный По своему действию нитям волоконной оптики. В результате таких манипуляций с излучением Солнца медведь греется на
Бионика — наука, изучающая структуры и функции живых организмов в иелях их воспроизведения техническими средствами для практического ис- пользования.
морозе, оборачивая энергетический баланс в свою пользу 瑞& поглощает почти полностью ультрафиолетовое излучение и 血 отдает инфракрасное. Природа Арктики, Антарктики и другн* холодных регионов хранит еще много таких интересных секре, ТОВ.
Описание многочисленных преимуществ природного холода может создать впечатление, что холодильщики забывают 0 его отрицательных сторонах. Конечно, это не так. Они прекрас. но знают, что холод приводит к снежным заносам, обвалам лавину, катастрофам на море, гибели людей... Он вызывает обледенение летательных аппаратов, разрушение фундамен* тов, разрывы проводов электропередач, градобитие... Всего и не перечислить. Чтобы все это предотвращать, есть единст- венный путь - изучать причины и изобретать способы защиты,
История науки и техники знает и другие трудности, преодо. леть которые иногда сложнее, чем те? которые создает природа, Они связаны с влиянием политических событий. Наглядно иллюстрирует это положение история криогеники XX в., к которой мы перейдем в следующей главе, ^^
Г лава седьмая
КРИОФИЗИКА XX В.
В новой области низких температур, близких к абсолютному нулю, шум и суета, связанные с тепловые движением частиц, почти исчезают; создается возможность познать глубинные свойства материи
Г. Камерлинг-Оннес
ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ.
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ И МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
Ожижение гелия К амерлинг-Оннесом в 1908 г. открыло путь в область температур, при которых с веществом, в первую очередь с самим гелием, стали происходить новые, совершенно неожиданные вещи.
Ло этого все газы, в том числе и ,,постоянные,5, вели себя как и полагалось любому законопослушному веществу. Ниже своей критической температуры они исправно ожижались, & при дальнейшем охлаждении, достигнув температуры тройной
т04ки, затвердевали. Естественно было ожидать, что и гелий после того, как его ожижили, будет вести себя так же. Однако казалось, что гелий упорно отказывается затвердевать. Камер- ^Инг-Оннес, думая, что дело просто в недостаточном пониже- ннм температуры, охладил его откачкой пара сначала до %5 К, понизив давление над ним приблизительно до 1-Ю-3 МПа. В 1909 г. он откачал пар до давления 267 Па, при этом темпера。 1rура гелия понизилась до 1,38 К, но никаких признаков затвердевания не появилось. Г. Камерлинг-Оннес решил, что тройная точка гелия находится еще ниже. Он применил самые ротные вакуумные насосы, которые могла создать техника того времени, и понизил еще температуру, доведя давление пара над гелием до 26,7 Па. Но и при этом, всего на расстоянии от абсолютного нуля немного большем, чем 1° (1,04 К), гелий упорно оставался жидким!
Г. Камерлинг-Оннесу не суждено было узнать разгадку это- го непонятного поведения гелия; она раскрылась уже после его смерти. Забегая несколько вперед (об этом подрЬбнее будет сказано ниже), можно сказать, что секрет заключался в невероятном факте: у гелия вообще не существует тройной точки!
Дальше вниз по температурной шкале в эти годы пойти не удалось. Вакуумная техника того времени не позволяла еще существенно уменьшить давление пара над жидким гелием и тем самым понизить его температуру. Другие же способы получения таких "ультранизких” температур тогда еще не были известны.
Внимание исследователей было привлечено и другим, не менее загадочным явлением.
Было известно, что электрическое сопротивление металлов падает с понижением температуры. Однако, как оно будет вести себя при гелиевых температурах (ниже 4,2 К), было неясно.
Существовали теории, основанные на том предположении, что электроны, несущие ток, при абсолютном нуле будут плотно связаны с атомами, не смогут переходить от одного к другому, й поэтому электропроводимость тоже*снизится до нуля.
Были и сторонники противоположного взгляда, утверждавшие, что электроны будут совершенно свободны при абсолют- н°м нуле температуры и сопротивление полностью исчезнет.
Чтобы внести ясность в этот вопрос, нужно было экспериментировать с очень чистыми металлами; даже самые малые при-
месй сильно влияли на их электропроводимость. Металлов который наиболее удобно было очистить, была ртуть. Очисти； проводилась путем ее перегонки - испарением и конденсац^. ей. Самые первые опыты в апреле 1911 г. с проводником из рту. ти показали, что электрическое сопротивление при темпера、 туре ниже 4,2 К исчезало. Однако по какому закону это про. исходило - оставалось неясным. Камерлинг-Оннес считал(и даже вывел соответствующую формулу), что это происходи^ постепенно, по мере понижения температуры. Однако следую， щая серия опытов, проведенных через месяц, дала совершен, но неожиданный результат: электрическое сопротивление ртути при понижении температуры до 4,15 К исчезало скачком, сразу (рис. 7.1).
Сообщение Камерлинг-Оннеса об этих опытах так и называлось "О неожиданном изменении скорости, с которой исчезает сопротивление ртути”. Дальнейшие его исследования (1912 г.) показали, что и некоторые другие металлы, например олово и свинец, теряют электрическое сопротивление тоже скачком (соответственно при 3,72 и 7,19 К). Это явление, названное Ка- мерлинг-Оннесом сверхпроводимостью, не вписывалось ни в какую существовавшую в то время физическую модель электропроводности металлов.
В дальнейшем Камерлинг-Оннес придумал наглядаый опыт, показывающий необычайные свойства сверхпроводящего металла. Его схема показана на рис. 7.2. Катушка 4 из свинцового провода помещена в сосуд Дьюара 7, заполненная жидким ге* лием. В катушку можно пускать электрический ток от батареи I, замыкая ключ 2 (ключ 3 разомкнут). Ток, протекая в катушке 4, создавал магнитное поле, которое фиксировали стрелки компасов 5 и 6. Если затем замкнуть ключ 3, а ключ 2 разомкнуть, то ток от батареи в соленоид уже не будет поступать; он будет замкнут накоротко. Если бы катушка 4 была сделана из обычного проводника, ток в контуре быстро бы исчез вследствие ее сопротивления; отклонение магнитных стрелок полем прекратилось. Однако, поскольку сверхпроводящая кату亦& не имеет сопротивления, ток в контуре продолжает циркулй： ровать, и отклонение стрелок это показывает. Так может про* должаться практически неограниченное время, поскольку рассеяния энергии в сверхпроводящем контуре не проис* ходит. В оставленной под наблюдением катушке с током не произошло никаких изменений; в течение двух лет ток не уменьшился.
Рис. 7.1. Характер изменения удельного электрического сопротивления р для нормального металла (1, 2) и сверхпроводника РЬ (3) при понижении теьшературыРис. 7.1. Характер изменения удельного электрического сопротивления р для нормального металла (1, 2) и сверхпроводника РЬ (3) при понижении теьшературыРис.京 Соленоид ю сверхпроводника с
Рис. 7.1. Характер изменения удельного электрического сопротивления р для нормального металла (1, 2) и сверхпроводника РЬ (3) при понижении теьшературы
Рис. 7.1. Характер изменения удельного электрического сопротивления р для нормального металла (1, 2) и сверхпроводника РЬ (3) при понижении теьшературы
'Ъечно"шфкулируж)щим током
Такое "чухю" др открытия сверхпроводимости даже пред- _ ставить себе никто не мог. Что же касается объяснения, то его не могли дать еще долго. Вообще дальнейшее изучение сверхпроводимости, которое продолжается и до сих пор, открыло еще много новых эффектов.
-За комплекс работ в области криогеники Камерлинг-Оннес получил в 1913 г. Нобелевскую премию по физике. В традицион- ной лекции, прочитанной им при получении этой премии, он пророчески сказал о том, что исследования в новой области низких температур, где шум и суета, связанные с тепловыми колебаниями, почти исчезают, приоткрывают завесу, и созда- ется возможность познать глубинные свойства материи.
Первые шаги в эту новую область сделал он сам. В дальнейшем работы группы Камерлинг-Оннеса должны были продолжиться. Однако через год, в 1914 г. началась первая мировая война, открывшая целую полосу революционных катаклизмов н радикальных изменений в жизни всех народов не только в Европе, но и в других районах мира. Естественно, что все эти
233
события оказали значительное влияние на развитие как науки так и техники. Не были исключением и низкотемперагурная область. Война и последующие события в частности сказались в почти полном прекращении международных научных свя> зей в Европе с 1914 по 1920 г. Лаборатория Камерлинг-Оннеса тоже оказалась на это время в изоляции и без средств. Работы в ней почти замерли.
Криофизика, развитие которой почти прекратилось, начала оживать только в 20-е годы. Оживление происходило очень быстро; в последующие десятилетия открытия в этой области пошли одно за другим. Достаточно сказать, что за работы по физике низких температур после К амер л инг-Оннеса Нобелев- ские премии были присуждены еще 4 раза (1920 г. - В. Нернсту, 1949 г. - У. Джиоку, 1962 г,- Л. Ландау, 1978 г. - П. Капице)1. Эти четыре фамилии будут ниже в соответствующих местах неоднократно упоминаться наряду с другими, обладатели которых тоже сделали крупные вклады в низкотемпературную науку, но не удостоились столь высоких наград (В. Кеезом, П. Ле- бай, В. де Хаа.с, Л. В. Шубников, Э. Андроникашвили, В. Мейснер, В. П. Пешков и др.).
Прежде чем обратиться к новым достижениям и трудностям послевоенного периода, нужно на короткое время вернуться немного назад, к Камерлинг-Оннесу. За четыре года до смерти он предпринял последний штурм, чтобы взять еще один рубеж на пути к абсолютному нулю. Применив для откачки паров над жидким гелием 12 мощных вакуумных насосов, он понизил его температуру до 0,83 К. Сообщение об этом он озаглавил: "О самой низкой температуре, полученной до сих пор”. Сообщение заканчивалось обсуждением вопроса - Мможно ли считать, что достигнут абсолютный предел движения к низким температурам?" Такая постановка была совершенно естественной -стало очевидно, что, применяя прямую откачку пара, дальше уже двигаться было практически невозможно. Нужно было либо найти другое вещество с еще более низкой температурой кипения, чем гелий, либо изобрести совсем другой» новый способ понижения температуры.
Г. Камерлинг-Оннес не знал, какая из этих возможностей будет реализована (впоследствии оказалось, что обе), но не
-* Интересно, что Нернст и Джиок получили премии не по физике, а по хиМИ1*'
^мневался в успехе: "Мы должны быть уверены, что препятст- 0Ие, появившееся на нашем пути, будет преодолено, и главное, нт。требуется - длительное и терпеливое исследование свойств 0ещества при самых низких температурах, которые только мсж・ но получить,?. .
Именно на этом пути найдены были и новые способы дальнейшего понижения температуры, и еще более "холодное”； peuiecTBo, чем обычный гелий. I
Новый способ охлаждения был изобретен в 1926 г. через не-1 сколько месяцев после смерти К амер л инг-Оннеса. И здесь так же, как в свое время у Кайете и Пикте, а затем у Линде и Хэмпсона, проявилась та же закономерность: одна и та же идея возникла одновременно у двух разных, незнакомых друг с другом исследователей. Один из них - канадец У. Лжиок, представил статью с описанием своего метода в редакцию журнала 17 декабря. Другой - П. Лебай, прислал из Цюриха (Швейцария) статью аналогичного содержания в другой журнал раньше, 30 октября. Однако первое сообщение об идее Джиока было сделано в Американском химическом обществе от его имени еще 9 апреля 1926 г. Таким образом, здесь, как и в предыдущих двух случаях, вопрос о приоритете носит условный характер.
Идея нового, магнитного охлаждения была основана на использовании эффекта, который впоследствии был назван магнитокалорическим.
Чтобы понять ее, необходимо вспомнить некоторые сведения, относяпхиеся к магнитным свойствам веществ. Способность вещества намагничиваться в магнитном поле (т.е. самому становиться магнитом) называется магнитной восприимчивостью.
У разных веществ эта восприимчивость различна. Если, например, поместить между полюсами магнита железный стержень, то он намагнитится; но медный, помещенный на это же место, магнитом не станет. Вещество, обладающее магнитной восприимчивостью, называется магнетиком. Магнитная вос- пРиимчивость магнетиков (в частности, железа) связана с тем, 5° каждый из его д^омов обладает свойствами некоего 3Лементарного магнитика, поскольку электроны, вращаясь Как вокруг ядра, так и вокруг своих осей, образуют свое маг-1 битное поле. В обычных условиях, вследствие тепловых коле- j банк传 атомов, ориентация этих элементарных магнитиков рее*'
Рис. 7.3. Ориентация элементарных магнитиков:
а — упорядоченна^ (при налоге, нии магнитного nonajf б - хаотичес- кая (при отсутствии магнитно^ поля)
порядочна; когда же вещество попадает во внешнее магн^. ное поле, элементарные магнитики выстраиваются по его н% правлению (рис. 7.3), и само вещество становится магнитом. Если внешнее магнитное поле удалить, то вещество снова размагнитится. Объясняется это тем, что тепловое движение атомов "растрясает" их, и общая ориентация атомов нарушается. 一 Чем выше температура, тем это "растрясающее" действие боль* ше. Наконец, есть такая температура, выше которой внешнее поле никак не может установить порядок в магнитной ориен тации атомов; вещество вообще теряет магнитную восприимчивость. Такая температура называется ^точкой Кюри”. Ниже “"точки Кюри" магнитная восприимчивость магнитика возрастает, поскольку помехи магнитному упорядочиванию от теплового движения атомов по мере снижения температуры уменьшается (закон Кюри). Вместе с тем многие вещества не подчиняются закону Кюри. В них элементарные магнитные поля взаимодействуют между собой и не реагируют должным образом на внешнее магнитное поле, не воспринимая, так сказать, его 5,команду?,.
Но есть и вещества, парамагнетики, которые подчиняются закону Кюри до самых низких температур, даже в области 1 К и ниже. Одно из таких веществ - сульфат гадолиния1, изученный еще при жизни Камерлинг-Оннеса. Оно было предложено Лжи- оком и Дебаем для использования в новом способе охлаждения. Идея его заключалась в том, чтобы осуществить обратный цикл, подобный тому, который совершается в обычной холодильной установке, но не с помощью сжатия и расширения рабочего тела, а посредством намагничивания и размагничИ*
0ания. Дело в том, что в процессе намагничивания： при уста- ноВлении порядка в ориентации атомов магнитное поле производит работу над веществом, которое, получая энергию, ^сколько нагревается. И напротив, когда магнитное поле сни- мается, разупорядочивание происходит за счет внутренней энергии тела (т.е. энергии тепловых колебаний атомов). Поэтому магнетик охлаждается. Первый процесс аналогичен в 3ToM отношении сжатию в компрессоре, а второй - расширению в детандере. Принципиальное отличие от обычного, термомеханического способа охлаждения состоит в том, что во втором случае рабочее вещество не газ и не жидкость, а твердое тело. Это принципиально меняет способ его использования для от- рода тепла. Здесь все процессы осуществляются уже не в разных устройствах (компрессоре, детандере, теплообменниках) при перемещении рабочего вещества, а в одном блоке твердого тела. Это было довольно трудно сделать, и прошло целых семь лет, пока Джиок вместе с \Так-Дугаллом преодолели путь "от идеи до машины,5 и успешно запустили первую магнитную криогенную установку в Калифорнийском университете. В марте 1933 г., размагничивая сульфат гадолиния, Лжиок получил сначала температуру 0,53 К, затем в апреле 0,34 К и наконец 0,25 К! Лейденская лаборатория, получившая к этому времени имя Камерлинг-Оннеса, тоже постаралась не отставать и через месяц получила температуру 0,27 К (используя фторид церия). Это был огромный качественный скачок, достигнутый только благодаря переходу на совершенно новый способ охлаждения. Чтобы его оценить, нужно учесть, что интервал от 0,83 (рекорда, полученного методом откачки паров гелия) до 0,25 К, т.е. всего 0,58 К, с энергетической точки зрения очень велик и гораздо больше, чем между температурами жидких водорода и гелия, т.е. 20,4 и 4,2 К.
Действительно, по формуле Карно работа, необходимая для отвода единицы тепла с низкого уровня То на уровень 7^ с окружающей среды, определяется отношением (см. § 2.2):
= (Т0~ Тол)/Т0-.
Принимая То ■ 293 К (20℃), получаем значения I, приведем ныениже：
%,К 20,44J1,00,830,25
I, Дж/Дж-13,468,82923521171
Следователыю, что^ы отвести то же количество тепла с ypoBfc ня То = 4,2 К, нужно затратить на 58,8 - 13,3 = 55,4 Лж больше чем при отводе тепла с уровня То = 20,4 К. Но для То = 0,25 К “ То = 0,83 К получается уже разница в 1171 - 352 = 819 Дж. Путь вниз здесы несмотря на малое число градусов, дороже почти в 16 раз! С приближением к 0 К значение I -* «>.
Как же работает система магнитного охлаждения? На рис. 7.4 такая система схематически показана в том несколько усовер. шенствованном виде, который она приобрела уже после первых опытов Джиока.
Магнитная соль помещается в средней части сосуда Лыоара, В верхней, более широкой части сосуда находится ванна с жидким гелием, температура которого (например, 1 К) поддерживается откачкой пара при соответствующем давлении. В нижней части сосуда расположена камера, в которой находится охлаждаемый объект.
Трубка с магнитной солью (например, сульфатом гадолиния) соединена наверху с гелиевой ванной полоской 5 сверхпроводящего металла и снизу другой полоской 6 с охлаждаемой камерой. Эти полоски называются "тепловыми ключами”. Их действие основано на двух замечательных свойствах сверхпроводников,"ббнаруженных вскоре после их открытия.
Первое из них состоит в том, что металл, находящийся при температуре ниже критической, теряет сверхпроводящие свойства, если на него наложить достаточно сильное внешнее магнитное поле; однако, если поле снять, сверхпроводимость восстанавливается. Вслед за этим проявилось связанное с первым и второе свойство: металл в сверхпроводящем состоянии резко уменьшает теплопроводность, по сравнению с той, кото' рая характерна для него, когда сверхпроводимость нарушь* Например, свинец в сверхпроводящем состоянии имеет в 口е・
рис・ 74 Установка для магнитного охлаждений*
I - парамагнитная соль; 2 — сосуд Дьюа- а； з - жидкий гелий; 4 — охлаждаемый объ- ект; 5 6 - тепловые ключи; 7-9 - электромагниты
сятки раз меньшую теплопроводность (при тех же прочих условиях), чем в случае, когда она разрушена магнитным полем.
Эти свойства в полной мере использованы в описанной системе магнитного охлаждения. Вся она расположена между полюсами трех электромагнитов. Средний 8 предназначен для воздействия на рабочее тело - соль, верхний 7 и нижний 9 - на соответствующие тепловые ключи.
При включении магнита 8 соль нагревается В это время включается и нижний магнит 9・ При этом "размыкается" нижний тепловой ключ, и нагрев соли не может повлиять на температуру объекта охлаждения. Верхний тепловой ключ остается ,,открытым,?, и тепло от нагретой соли передается через свин- новую полоску в ванну с жидким гелием. Затем, когда температуры соли и ванны сравняются, включается верхний магнит 7, прекращая тепловой контакт между ними. Одновременно выключается магнит 8, и соль вследствие размагничивания ох- лаждается. После этого нижний магнит 9 выключается, и каме- Ра 4 c объектом охлаждения вступает в тепловой контакт через свинцовую полоску (тепловой ключ 6). При этом камера °хлаждается до температуры холодной соли. После того как тепловое равновесие устанавливается, цикл повторяется, и т，П・ В результате тепло от холодной камеры постоянно переда-
由ся в гелиевую ванну, а в камере устанавливается более низкая температура, чем в ванне. Температура гелия в ванне це меняется, так как подвод тепла к нему приводит только к испарению некоторой его части, что легко восполняется.
Магнитное охлаждение можно осуществлять и в хдае ступени, используя верхнюю при получении более низкой исходной температуры для работы нижней. Таким путем были достиг， нуты низкие температуры, отстоящие от О К меньше, чем на 0,01 К.「
Физики получили, наконец, средство, позволяющее изучать свойства веществ практически во всем диапазоне криотемпе， ратур. Исследования при этом шли в двух направлениях: изу. "Дались свойства твердых1 тел, главным образом в связи со CBegx. проводимостью^ и жидкого гелия, в котором было открыто еще одно, еще более удивительное "сверхсвойствоъ - "сверхтекучесть. На каждом из этих двух’ направлений неожиданных сюрпризов было более чем достаточно.
Начнем со свойств твердых тел. После открытия сверхпроводимости ртути и свинца начались поиски и других, новых сверх- проводнжов. Сверхпроводимость была обнаружена сначала у олова, индия, таллия и галлия, а затем в 20-е годы у тантала, ниобия, титана, тория я др. Критические температуры у них различны, но не превышают ЮК.-
Как и при всяком новом открытии, возникают два естественных желания - первое《у физиков) - найти объяснение, построив новую теорию или расширив старую, и второе (у инженеров)- использовать его для практических целей.
Г. Камерлинг-Оннес счастливо сочетал (что не так часто встречается) умение мыслить и как физик, и как инженер. Поэтому он сразу же подумал об использовании сверхпроводимости для того, чтобы создавать сильные магнитные поля, нужные для многих исследований (в особенности низкотемпературных). Обычные электромагниты с железным сердечником были громоздки и потребляли огромное количество электроэнергии, перегоняя ее в тепло, выделяющееся в обмотке. Для отвода этого тепла нужно было много охлаждающей воды. Сверхпроводящий магнит можно было бы запитать током только один раз, а эксплуатационные затраты свелись бы лишь к поддержанию уровня жидкого гелия. Но, поскольку сверхпроводящий магнит тепла не выделяет, это было бы не 娥 сложно. Планы строились и дальше: на том же принципе мо^нО
6以门。бы в дальнейшем создать трансформаторы, генераторы и другие электротехнические устройства.
Однако этим мечтам тогда не суждено было о существиться. Оказалось, что сверхпроводник выдерживает только слабые ток欢(а следовательно, и магнитные поля). Если его нагружать током, превышающим определенное для каждой температуры значение, сверхпроводимость исчезает! Все многократные попытки получить практически пригодный сверхпроводящий магнит не увенчались успехом. На смену радужному оптимиз- ,4У по поводу будущих сверхпроводящих устройств пришел почти черный пессимизм.
Тем не менее исследования сверхпроводников и других Бердых тел при низких температурах продолжались и в Лейдене, и в новых центрах - Оксфорде, Кембридже, Торонто и Берлине.
Через некоторое время к числу этих лабораторий присоединились и советские - сначала в Харькове (Украинской физико- технологический институт - УФТИ), а затем и в Москве (институт физических проблем - ИФП).
72 СТАНОВЛЕНИЕ И ТРУДНЫЕ ПУТИ СОВЕТСКОЙ КРИОГЕНИКИ
В отличие от других европейских стран, где низкотемпературная наука и техника имели давние традиции, в России со времен Ломоносова никто этими вопросами не занимался. Холодильная техника базировалась на импортном оборудова- нин, а производство отечественных машин только начиналось, и то по иностранным образцам. Что касается криогеники, то попытка проф. Н. А. Умова развить это направление в Московском университете не привела к успеху.
Однако начиная с 20-х годов криогеника в Советском Союзе начала развиваться настолько быстро, что за несколько лет BHinua на самые передовые рубежи и дала мировой науке та- ®х "трех китов”, как Л. В. Шубников, Л. Д. Ландау и П. Л. Ка- 叫а.
При этом сказалось одновременное и взаимосвязанное дей- двух факторов.
Первый из них - революция. При всех ее издержках, в зна- ^ельной степени неизбежных, она дала мощный импульс 电М направлениям науки, которые содействовали развитию
производительных сил страны, и открыла перед ее деятел^ новые возможности; с философами дело было хуже.
В противоборстве двух тенденций - недоверия и даже вр&总 ды к "буржуазной” научно-технической интеллигенции и пр0. тивоположной - стремлении привлечь ее на свою сторону и дать развернуть свои возможности, победила вторая. Решающую роль здесь сыграл В.И. Ленин. Уже в январе 1918 г. он пору^Ил А.В. Луначарскому начать переговоры с Академией наук. Пр^ этом он предупредил, что здесь нужен большой такт и осто. рожность. ,5Найдется у Вас какой-нибудь "смельчак”, наскочит на Академию и перебьет там столько посуды, что потом с Вас придется строго взыскиватьw.
При жизни Ленина и в 20-е годы это предупреждение де% ствовало.
В проведении этой политики пришлось преодолеть сопротивление некоторых ответственных партийных работников, и это неуклонно делалось.
С 1918 по 1923 г. была открыта и начала работу целая сеть новых научн'о-исследовательских институтов и лабораторий: Государственный оптический институт, Радиевый институт, Институт прикладной химии, Московская горная академия, Институт физико-химического анализа, Нижегородская радиотехническая лаборатория и Нижегородский университет, Физико-технический институт и др.
Последний, руководимый А.Ф. Иоффе, в дальнейшем и стал базой, обеспечившей развитие криогеники в нашей стране.
и訓и訓Вторым фактором, способствовавшим быстрому росту науки в Советской России, было международное научное сотрудничество. Со стороны правительства оно всячески поощрялось, как в форме широкого использования иностранной научной
и訓
и訓
тературы, так и непоч)едственными личными контактами Совместными работами.
“ В июне 1921 г. по инициативе В.И. Ленина был организован ^мит©т иностранной литературы (КОМИНОЛИТ) во главе с ^д),Шмидтом, на который была возложена задача приобрете- нИя за границей литературы по всем отраслям знаний.
В октябре этого же года Ленин писал в КОМИНОЛИТ, поста- 那 задачу добиться, чтобы пв Москве, Петрограде и крупных еролах Республики было соч)едоточено в специальных библио- ^ках по экземпляру всех заграничных новейших научных (химия, физика, электротехника, медицина, статистика, эко- номика и проч.) журналов и книг 1913-1921 гг. и было бы нала-
*но регулярное получение всех периодических изданийп.
Возобновлялись и личные контакты, в том числе и путем командирования за границу научных работников и инженеров.
Известные деятели науки Запада активно поддерживали эти начинания. Характерно, например, письмо А. Эйнштейна, помещенное в "Известиях” от 21 января 1921 гл "От наших товарищей я узнал, что русские товарищи даже при настоящих условиях заняты усиленной научной работой. Я вполне убеждай, что пойти навстречу русским коллегам - приятный и святой долг всех ученых, поставленных в более благоприятные ус- повия, и что последними будет сделано все, что в их силах, йбы восстановить международную связь. Приветствую сердечно русских товарищей и обещаю сделать все от меня зависящее для налаживания и сохранения связи между здешними и рус- 鼠 нмн работниками науким.
Такие связи ”русских и европейских Архимедов", по выражению В.И. Ленина, действительно стали быстро налаживаться.
Об атмосфере, существовавшей в это время, Ч. Сноу в известий книге ”Пве культуры” писап: мМир науки 20-х годов был на- 如ько близок к идеальному интернациональному обществу, Только это возможно... Научная атмосфера 20-х годов была ^сьгщена доброжелательностью и великодушием; люди, кото- №ев нее окунались, невольно становились лучше55.
Одними из первых европейских научных коллективов, в ^рых начали работать молодые исследователи из Советской :снн, были знаменитая криогенная лаборатория Камерлинг- $са в Лейдене и лаборатория Резерфорда в Кембриджском ,脸рситете.
В первой находилась группа, в ^0 торую входили Л.В. Шубников и Л.Д. Ландау, во второй - П.Л. Капица
В 1926 г. де Хаас обратился к А.Ф. Иоффе с просьбой прислать ец- в помощь молодого русского физика имеющего опыт получения особо ч^ тых образцов металлов для низк0. температурных исследований.
В результате появилось письмо А.Ф. Иоффе заведующему Главнау. кой М.П. Кристи. Приведем отрывки из этого письма: мОчень прошу В* шей помощи в деле освобождения от воинской повинности ст. ассистента ГФТИ Льва Васильевича Шубни
кова... Я предполагаю командировать ... в лабораторию Камер- линг-Оннеса. Тов. Л .В. Шубников приглашается проф, де Хаасом... По возвращению оттуда Л .В. Шубников должен устраивать криогенику у нас в институте”.
Это ходатайство было удовлетворено и имело впоследствии результаты, даже превзошедшие надежды А. Иоффе, - Л .В. Шубников не только организовал 5,устроение криогеникилэ но и создал первый советский крупный центр и на его базе школу криогеники мирового уровня.
Л.В, Шубников родился в Петербурге в 1901 г. Осенью 1918 г, он поступил на впервые открытое математическое отделение физико-математического факультета Петроградского университета. Поскольку он был единственным студентом этого отделения набора 1918 г.? ему приходилось для слушания лекций присоединяться к студентам других отделений. В 1922 г. °" перешел в Политехнический институт; одновременно с учебой работал лаборантом и принимал активное участие в нау4H加 исследованиях. В частности, он хорошо овладел методикой получения особо чистых металлов. К моменту окончания 加. ститута он уже был подготовлен для самостоятельной ра6°仍 Именно поэтому А. Ф. Иоффе рекомендовал его для команд рования в Лейден.
；В Лаборатории Камерлинг-Оннеса Шубников, а затем е группа молодых советских исследователей, прибывшая в^
胆曲м3 б&стро освоились и включились в работу. Большую по- мощь им оказал замечательный физик П. Эренфест, работав- 111Hй в то время в Лейденском университете. До этого он провел ^сколько лет в России в качестве преподавателя Политехнического института (1907-1912 гг.), где его называли даже Пав- 〃ом Сигизмундовичем. Он знал русский язык. (Его жена Т А・ Афанасьева-Эренфест - тоже известный физик).
П. Эренфест обладал широчайшим научным кругозором и хорошо понимал проблемы физики низких температур. В Лейден- скмх семинарах П. Эренфеста участвовали такие деятели, как д( Эйнштейн, М. Планк, М. Борн, Э. Шредингер, П. Дирак и другие -практически весь "нвет” физики того времени. В Лей* 口ен приезжали из Советского Союза А. Ф. Иоффе, И.Е.Тамм, Л, Ландау; посещал Лейден и работавший в то время в Кембридже П. Л. Капица. Лучшие условия для формирования молодых научных работников трудно себе представить. Злесь царствовала та атмосфера доброжелательства и увлечения наукой, о которой писал Ч. Сноу. Заслуги Эренфеста перед русской наукой были отмечены: в 1924 г. он был избран иностранным членом АН СССР.
Первой работой Шубникова в лаборатории Камерлинг-Оннеса было исследование электросопротивления висмута в магнитном поле, в результате которого был установлен "аффект Шубникова -де Хааса?\ За этой работой последовал и ряд других.
В Лейдене Шубников стал первоклассным криофизиком мирового уровня. В 1929 г. он вернулся на родину, поселился в Харькове и приступил к работе в организованном на несколько месяцев раньше УФТИ. По мысли Иоффе, уже здесь, в Харькове, а не в Ленинграде нужно было создать криогенную лабораторию. После ряда организационных неполадок этот во- 叩ос был решен, и в 1931 г. руководителем этой лаборатории 血口 назначен Шубников. Его мечтой было создать современ- 叩心 базу для собственной криогеники и организовать творчес- кн济 коллектив, способный вывести ее на международный уро- зен瓦 и он взялся за ее реализацию, делая буквально чудеса* ^чинать нужно было с собственной базы для получения ожи- 褪нннх газов - без них никакая экспериментальная работа 脆 могла проводиться. В то время взять жидкий водород или 農"ий было негде.
В Лейдене тогда была большая группа стажеров из Советского Союза.
Уже в 1931 г. был запущен крупный по тому времени вод I родный ожижитель УФТИ производительностью 12 л/ч. В 1932 r был введен в строй небольшой гелиевый ожижитель Сим011a а в 1935 г. большой - Мейснера, дававший 1,5 л/ч. Было так*； налажено производство металлических сосудов Дьюара и 蹄 куумной аппаратуры.
Сделать все это за столь короткий срок практически 电 пустом месте было бы невозможно, если бы не помохць к耿 "изнутри”, так и "извне”. Первая оказывалась в основном Ор. джоникидзе, продвигавшим по "зеленой улице" заказы лабо. ратории, вторая - друзьями из Лейдена - де Хаасом, Кеезомом и другими, которые бескорыстно, без всякой оплаты присылали и привозили t сами материалы, приборы и другое оборуд0. вание.
В лаборатории наряду с молодыми советскими специалистами (в том числе и теми, которые прошли школу Лейдена) раба тали и зарубежные, в частности бежавшие из Германии от гитлеровцев. Работы шли в двух направлениях: физика конденсированного состояния (т.е. свойства жидких и твердых тел) при низких температурах и криогенная техника - промышленное ожижение газов и разделение газовых смесей (воздуха для получения азота и кислорода, природного газа для получения гелия и др.). Второе направление развивалось в специальной промышленной лаборатории Опытной станции глубокого охлаждения (ОСГО), созданной в 1935 г.
Летом того же года Шубников стал заведующим кафедрой физики твердого тела в Харьковском университете (здесь он организовал первый в стране криогенный студенческий практикум). В это же время его друг Ландау стал заведующим кафедрой общей физики. (Их часто видели вместе и, чтобы проше различать, прозвали: "Лев толстый” 一 Шубников и "Лев тон кий" - Ландау.)
К этому времени Харьковская школа криогеники уже выдала ряд работ междугнароного класса и, догнав своих учителей стала в один ряд с ведущими мировыми криоцентрами. Так ^е как и в Лейдене, проводились научные семинары с привлече нием как советских, так и иностранных участников. Активно работал в них и "Лев тонкийм - Ландау.
Были продолжены работы, связанные с "аффектом ШубнИ^0' ва - де Xaacaw; Шубников и Рябинин изучали проникновение магнитного поля в сверхпроводники; был независимо от Me妙
не0a (на несколько месяцев позже) установлен эффект в сверх* проводниках, получивший в дальнейшем название ,5эффекта Мейснера”. В 1936 г. была открыта так называемая "фаза Шуб- Н冰ова” в сверхпроводниках. Эти работы, наряду с проводившимися в зарубежных лабораториях, подготовили базу для но- воГо рынка в теории и практике сверхпроводимости в 40-е и последующие годы.
работы Мейснера, Шубникова и других показали, что взаимодействие магнитного поля со сверхпроводником - явление сложное. Поле проникает в сверхпроводник не сразу, оно ”вы・ талкивается” из сверхпроводника, задерживаясь на небольшой глубине. Только достигнув определенного значения, оно прорывается внутрь и разрушает сверхпроводимость. В дальнейшем оказалось, что в некоторых сплавах, в отличие от уис- тых металлов, сопротивление этому проникновению очень велико, и они (так называемые ^сверхпроводники II рода”)могут, выдерживать большие токи и создавать мощные магнитные поля Ьез разрушения сверхпроводимости при температурах до 20-24 К. Мечта Камерлинг-Оннеса все же, вопреки прогнозам скептиков, реализовалась, но это было уже намного позже, в 50-е годы. О том, что дало на практике использование таких сверхпроводников, рассказывается в § 7.3.
Инженерные работы в ОСГО тоже развивались не менее интенсивно, чем у физиков, и в тесном контакте с ними. 几 В, Шубников успевал заниматься и инженерными вопросами. Особенно продвинулись работы со сжиженными газами. В 1936 г., намного опережая развитие техники своего времени, сотрудники ОСГО успешно применили жидкий метан в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. В 1937 г. были доведены до практического применения устройства для Резки и сварки металлов на базе жидкого кислорода и на той *е базе - системы для обеспечения дыхания экипажей высотах самолетов при длительных полетах. В рекордных полетах Типажей Громова и Гризодубовой эти системы прошли успешную практическую проверку.
Были намечены и новые работы, нацеленные на будущее,- йсследования сверхпроводников, жидкого гелия, установок Разделения газовых смесей и др.
Наступали, однако, другие времена. Верх взяли тенденции №х самых ^^cмeльчaкoв^^ - специалистов по ,5битью посуды,\ °т которых предостерегал в свое время Ленин. Они, по сущест-
Рис. 7.6. Петр Леонидович КапицаРис. 7.6. Петр Леонидович Капица
Рис. 7.6. Петр Леонидович Капица
Рис. 7.6. Петр Леонидович Капица
ву, преследуя интеллигенцию, исхо. дили из лозунга "Революция не ну水. дается в химиках55, хотя и провозгла. сили вслух борьбу в защиту науки qt буржуазного влияния, вредительства и шпионажа. Началось это в конце 20-х годов и в середине 30-х годов д0. катилось до УФТИ и Харьковского университета.
В 1936 г. Шубников получил персо. нальное приглашение на VII Me总 дународный конгресс холода в Гаагу, но выезд туда не разрешили. В этом же году в Союз не смогли приехать из Лейдена В. де Хаас и Э, Вирсма, которые везли очередные научные новости и подарки для лаборатории. В конце 1936 г. из Харьковского университета уволили Л. Ландау,
Последним светлым эпизодом в жизни Шубникова была выездная сессия физической группы АН СССР в Харькове, которая дала очень высокую оценку работам криогенной лаборатории УФТИ и ОСГО.
После этого Шубников вместе с Ландау уехали в отпуск; 6 августа, после возвращения, Шубников был арестован и осужден "на 10 лет без права переписки” (расстрелян 8 ноября 1937 г.; в 1957 г. посмертно реабилитирован).
Немного спустя подверглись аресту и несколько других веду1 щих сотрудников; работа лаборатории была практически сорвана. Только к 1940-1941 гг. удалось понемногу наладить работу, но тут началась война.»
Уцелевшие криогенщики - ученики и сотрудники Шубникова, продолжали работу в различных научных организациям и на производстве. Многие из них во время и после войны "' ли ведущими специалистами, распространяя опыт и традип^ ^харьковской школы??. Несколько человек, во главе 「 Л. Л. Ландау, перебрались в Москву, где к этому времен" П,Л. Капииа создал новый центр притяжения для тех, кто за
нимался криогеникой, 一 Институт физических проблем.
Я Л Капица родился в Петербурге в 1894 г. и прошел Р несколько раньше) ту же школу, что и Шубников, - Петрогра кий политехнический институт.
24в
В 1921 г. А. Ф. Иоффе включает П. Л. Капицу (который в это время был уже доцентом) в комиссию Академии наук, которая направляется в Европу для восстановления научных связей, а также закупки научного оборудования и литературы, В Кемб- рижде Иоффе обращается к самому Резерфорду - физику с мировой славой - с просьбой принять Капицу на стажировку в знаменитую Кавендишскую лабораторию. После некоторых колебаний, связанных с опасениями, что новый сотрудник внесет ^большевистский дух" в респектабельный Кембридж. Резерфорд все же согласился взять Капицу в свою лабораторию и впоследствии не жалел об этом. П. Л. Капица проработал в Кем- брижде 13 лет - намного больше, чем Шубников в Лейдене, и успел сделать за это время очень многое. Начал работу он, по собственному выражению, 5,с остервенением”.
Работы Капицы велись в двух основных направлениях: пер- кзе - создание и использование сильных магнитных полей, второе -криогенная техника. Прежде чем рассказать о его достижениях по непосредственно относящемуся к теме этой книги второму направлению, уделим некоторое внимание тому, как развивалась карьера Капицы в Кембридже. Краткий ее очерк дал П. Е. Рубинин [10].
1923 г, -Получил стипендию имени Максвелла. Защитил диссертацию на степень доктора философии Кембриджского университета.
1925 г. - Назначен заместителем директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. Избран членом Тринити-колледжа.
1926 г. - Торжественное открытие Магнитной лаборатории П. Л. Капицы при Кавендишской лаборатории. В церемонии принял участие тогдашний канцлер Кембриджского университета, бывший премьер лорд Бальфур.
1929 г. - Избран действительным членом Лондонского Королевского общества. В этом же году и АН СССР избирает П. Л. Капицу членом-корреспондентом.
19Мт. - Назначен профессором-исследователем Лондонское Королевского общества и директором новой Nfg. довской лаборатории, созданной специально для ра^ бот Капицы в области сильных магнитных поле^ и низких температур. Средства для этого выделило Королевское общество.
На торжественной церемонии Мондовскую лабораторию 5,при. нимал" канцлер Кембриджского университета Стэнли Болдуин трижды премьер-министр - в 1923, 1924-1929 и 1935-1937 гг.), В своей речи, которая может служить образцом того, как государственный деятель должен относиться к науке и к тем, кто ее создает, он сказал: ”9то событие чрезвычайной важности. В наше время положение стран зависит не только от ее вооруженных сил и развития ее промышленности, но и от ее завоеваний науки. Мы счастливы, что у нас директором лаборатории работает проф. Капица, так блестяще сочетающий в своем лице и физика и инженера. Открытие этой лаборатории является предзнаменованием того, что Англия сможет снова занять ранее принадлежавшую ей ведущую роль в этой важнейшей области научных исследований,\
Вся Англия и ее доминионы узнали из печати все подробности церемонии открытия по статьям и фотографиям. Советским читателям об этом событии рассказал журнал "Огонек”.
Не следует думать, что за всеми этими событиями Капица забывал о своей стране. Он помогал советским научным работникам получать стипендии и проходить стажировку в ведущих научных центрах Европы, в том числе в Кавендишской лаборатории, и поддерживал связи с советскими научными учреждениями.
В августе 1934 г,, как и раньше, Капица поехал на родину, чтобы повидать близких и друзей и посетить УФТИ и его криогенную лабораторию, консультантом которых он был с 1929 г<
В начале сентября он участвовал в Ленинграде в Международном конгрессе, посвященном 100-летию со дня рождения Д. И. Менделеева. А в конце сентября он узнал, что в Англию его больше не пустят... Вся годами налаженная работа обры-
ралась. мондовская лаборатория оставалась без директора, а Капица - без лаборатории. Сделать что-либо, чтобы изменить это решение, продиктованное "сверху", было абсолютно невозможно.
П. Л. Капица оказался в очень тяжелом положении, на грани нервного срыва. Он намеревался осенью, после возвращения в Кембридж, приступить к серии опытов по исследованию Жидкого гелия. Весной этого года был пущен созданный под его руководством новый ожижитель гелия, и все, что было нужно для работы, было подготовлено. Сначала он пытался передать в письмах советы и указания своим помощникам, но понял, что это руководство на расстоянии бесперспективно.
В конце концов при содействии Академии наук и ряда академиков, в том числе И. П. Павлова, и с помощью усилий самого Капицы было принято решение создать в Советском Союзе институт, в котором он мог бы продолжить и развить свои работы. Большую помощь в этом деле оказал В. И. Межлаук, который был в это время заместителем председателя Совнаркома СССР и председателем Госплана. В круг его обязанностей входило и курирование науки. В декабре 1934 г. состоялось решение Совнаркома СССР о строительстве в Москве Института физических проблем. Поддержал Капицу и Резерфорд, согласившийся продать в Советский Союз часть оборудования Мондовской лаборатории, чтобы дать возможность начать работы в ИФП как можно раньше. Эту жертву мог принести только человек, который, по выражению Капицы, был ему "как отец ponHoft^.
При такой погшержке, несмотря на все препятствия, ИФП был построен в небывало короткий срок, к декабрю 1935 года.
К аислу препятствий, которые пришлось преодолевать Капице в это время (и в дальнейшем), относилась борьба с самыми разнообразными проявлениями бюрократии, в частности с почтением к внешней форме. При этом даже научный авторитет и чувство юмора не всегда помогали (а второе иногда и мешало).
Приведем отрывки из писем Капицы жене, где он касается этой темы.
"То, что в Англии решается одним телефонным звонком здесь требует сотни бумаг. Тебе на слово ничему не верят верят только бумаге, недаром она дефицитна. Бюрократия ду. шит всех. Душит она и Валерия Ивановича [Межлаука], который часто сам бессилен; его распоряжения разбиваются, и изничтожаются в бумажных потоках”.
”…Тут люди веселости не любят. Я уверен, что они были бы в восторге, если бы я отпустил себе бороду, мычал важные слова и величаво поглядывал бы направо и налево. Одним словом, выглядел бы, как мудрец, философ и ученый так, как их при- нято представлять в тeaтpe...^^
^„.Разыгрывают из себя жрецов, вроде того, который поет так свирепо и важно, как в "Аиде”. И никто бы не огорчился, если бы Академия наук была бы превращена в храм, а мы - в священников. Но вот я-то "попом” как раз быть и не могу по натуре, у меня все против этого. И я еще не так им наозорничаю, чтобы они бросили этот мистический подход к ученым. Наука должна быть веселая, увлекательная и простая. Таковыми же должны быть ученые
П. Л. Капице и его новым помощникам пришлось преодолеть еще много трудностей самого различного характера 一 и организационных, и снабженческих, и финансовых. Но в конце концов ему удалось отстоять такую ,5безбюрократическую>, структуру института, которая давала возможности работать "весело, увлекательно и просто". Была сформирована основная группа научных сотрудников и опытных мастеров. С марта 1937 г. в институте начал работать Л. Л. Ландау. И первой задачей, которой занялись в институте, было изучение свойств жидкого гелия. К началу 1937 г. ожижитель гелия был запущен и заработал. Можно было начинать путешествие хотя и не в новую (исследователи там уже побывали), но все же полную загадок область, расположенную ниже 3 К.
ПАРАДОКСЫ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
К тому времени, когда Капица со своими сотрудниками приступили к работам по исследованию жидкого гелия (1937 f・), уже накопилось множество фактов, свидетельствующих о его необычных и во многом загадочных свойствах.
Только одна из таких загадок - нежелание жидкого гелия наясе в области около абсолютного нуля температур переходить в твердое состояние - была решена. Гелий все же заставили за- твердеть. Произошло это в лаборатории Камерлинг-Оннеса у*е после смерти ее основателя, которому так и не удалось увидеть твердый гелий. Но и при этом гелий оказался "не та- кнм, как все другие вещества". Никакое охлаждение так и не заставило его перейти в твердое состояние. Казалось бы, что сИлы сцепления его атомов, как бы малы они ни были, смогут при почти полном прекращении теплового движения закрепить их, чтобы гелий затвердел. Ф. Симон показал, что дело здесь в энергии так называемых ,5нулевых колебаний” атомов, существующей даже при Т—ОК и предсказываемой квантовой теорией. Эта энергия нулевых колебаний достаточна для того, чтобы преодолеть очень малые силы сцепления атомов гелия. Надо было только помочь им сблизиться и закрепиться. Только внешнее давление могло этому помочь. И действительно, при повышении давления до 2,5 МПа гелий все же сделался твердым.
Своим необычным поведением он превзошел даже воду 一 другую удивительную жидкость, у которой лед не только менее плотен, чем вода； но и существует в пяти разных модификациях.
"Гелиевмй" лед имеет уникальную особенность - он может плавиться, если его нагреть или уменьшить давление, под которым он находится, но испаряться, как все другие, в принципе не может. Это видно по его фазовой диаграмме, представленной на рис. 7.7, а. На рис. 7.7,6 дана диаграмма для обычной жидкости, аналогичная той, которая была показана на рис. 2.7.
Видно, что гелиевая диаграмма как бы ограничена частью обычной диаграммы, отделенной штриховыми линиями; для гелия область, лежащая под ней, не существует.
Другие загадки жидкого гелия так или иначе связаны с яв* пениями, которые происходят, когда при охлаждении он переходит линию ab (рис. 7.7, а). При давлении 0,1 МПа это соответствует температуре около 2,19 К. Еще в 1911 г. Камерлинг-Оннес заметил, что вязкость гелия проходит в этой точкр через максимум, а в 1924 г. он, проведя точные измерения, заметил, что зависимость теплоемкости от температуры носит такой же характер, но имеет в этой точке острый пик, напоминающий
引引Рис. 7.7. Фазовая диаграмма гелия (а) и фазовая диаграмма обычного веществРис. 7.7. Фазовая диаграмма гелия (а) и фазовая диаграмма обычного веществ
引
引
Рис. 7.7. Фазовая диаграмма гелия (а) и фазовая диаграмма обычного веществ
Рис. 7.7. Фазовая диаграмма гелия (а) и фазовая диаграмма обычного веществ
胃 ab - линия разделения областей жидкого гелия (Не I и Не II)； 7； Ж, П - соот* ветственно твердая, жидкая и паровая фазы; тр.т. — тройная точка
Рис. 7.8. Изменение теплоемкости с жидкого гелия в области Х-точки
по форме греческую букву 入.Более подробно исследовал это явление уже в 1930 г. X. Кеезом совместно с Р. Клузисом- X. Кеезом и ввел термин ^температура 入-точки” (или просто ”А*томка”)・
254
В первой половине 30-х годов стало очевидно, что ниже этой 1roscм с гелием, который при всех своих особенностях все же д0 нее вел себя как ^добропорядочная жидкость,\ начинается непонятные и странные вещи; он настолько меняет свой- сТВа, что совершенно преображается. Поэтому гелий в состоя* ним, когда его температура «ниже Т入,был назван "гелием IIм, & при Т>Т\ - ^гелием 】”• Все силы исследователей со^едоточи- пнсь на Не И. Открытия появлялись одно за другим, благо жид- кнй гелий к этому времени был уже в достаточном количестве не только в Лейдене, но и в Торонто (Канада), Берлине, Бреслау (в настоящее время Вроцлав), Кембридже, а также Харько- ве (ФТИ) и Москве (ИФП).
Если говорить об особенностях Не II, то нужно, по-видимому, сначала вернуться к тому его свойству, которое тоже заметил еще Камерлинг-Оннес. При температуре выше 2,19 К гелий кипит так же, как и любая другая жидкость, с образованием пузырьков пара, всплывающих на поверхность. Ниже А.-точки ге* лий ведет себя как "мертвая вода^ в сказке: никаких пузырьков не образуется, и поверхность жидкости остается гладкой и неподвижной. Объяснить это удалось позже, когда были обнаружены и другие свойства гелия П, не столь очевидные.
X. Кеезом со своей дочерью Анной провели серию опытов по измерению теплопроводности Не Н. Но она неожиданно оказа- лась настолько большой, что приборами, которыми они распола* гали, ее измерить не удалось. Было только очевидно, что тегь лопроводность невероятно велика. Точные цифры были установлены позже в Кембридже; оказалось, что теплопроводность Не II больше, чем у самых теплопроводных металлов (меди и серебра) в миллионы раз!
По аналогии с электрической сверхпроводимостью Кеезом назвал это явление сверхтеплопроводностью.
Однако этим список новых ,,сверхявлений,э не закончился. В ряде лабораторий были замечены и другие странности в поведении Не II. Он, например, забираясь вверх по его стенкам, все время пытался "убежать” из сосуда, в котором находился, и проникал даже через уплотнения. Наиболее интересный опыт, демонстрирующий это явление, был поставлен в Оксфорде Мендельсоном и Лаунтом. В сосуде с жидким Не II был Подвешен небольшой стеклянный стаканчик, положение которого по высоте можно было менять так, как это показано на РИС. 7.9.
勿勿
勿
勿
Рнс. 7*9. Опыт с перетеканием Не II по стенкам стаканчика в сосуде гелием
Когда стаканчик погружен в гелий (рис. 7.9, а), жидкость1 поднималась по наружным стенкам и переливалась внутрь до тех пор, пока уровни в стаканчике и сосуде не уравнивались. Если же стаканчик поднять выше (рис. 7.9, 6), то процесс таким же удибительнымпутексшел в обратном направлении: жидкость по стенкам переливалась в обратном направлении тоже до тех пор, пока не достигалось совпадение уровней. Наконец, если стакан был поднят так, что полностью выходил из жидкости (рис. 7.9, в), гелий вытекал из него по стенкам тем же путем, собираясь в центре дна, и по каплям стекал в ванну до тех пор? пока не переходил в нее полностью. Еще более интересно, что опорожнение и наполнение стакана всегда шли с одинаковой скоростью, независимо от разности уровней. Если бы так себя вела вода в ведре, поднимаемом из колодца, то она бы вытекала из совершенно целого ведра так же, как и из дырявого； за время подъема она могла бы полностью стечь обратно в колов дец по стенкам ведра!
Было, наконец, известно, что у Не II очень малая вязкость •* намного меньше, чем у Не I, который является очень текучей жидкостью.
П. Л- Капица, занявшись жидким гелием, обратил внимание на то, что наличие у Не II одновременно сверхтеплопроводаос- тИ и малой вязкости содержит в себе некоторое противоречие с принятыми объяснениями этих явлений. Действительно, вязкость объясняется тем, что относительное скольжение сло- ев жидкости происходит с трением - их атомы вследствие взаимодействия препятствуют этому движению. Чем больше та- кое взаимодействие, тем сильнее внутреннее трение и тем больше вязкость жидкости. Но теплопроводность - это тоже взаимодействие атомов, их способность передавать от одаих к другим колебательное тепловое даижение, т.е. энергию в форме тепла от более нагретых участков тела к менее нагретым. Следовательно, теплопроводность тем больше, чем меньше расстояние между атомами, т.е. чем плотнее тело. Выходит, что и вязкость, и теплопроводность связаны со взаимодействием молекул сходным образом: если увеличивается теплопроводность, то должна увеличиваться и вязкость.
Но в Не II все происходит наоборот: теплопроводность его колоссально возрастает, а вязкость, напротив, падает. Получается явное противоречие, и именно с его раскрытия начались знаменитые исследования Капицы.
П. Л. Капица выдвинул положение, что той громадаой теплопроводности Не II, которую наблюдал и измерил Кеезом, на самом деле нет, т.е. теплопередача есть, но она идет не путем теплопроводности, а совсем иначе - конвекцией. Напомним, что конвекция - это перенос энергии не путем теплопроводности, а движущимся потоком газа или жидкости. Типичным примером конвекции может служить нагревание воды в чайнике или кастрюле. Оно, как известно, ведется снизу; нагретая вода, поднимаясь вверх, переносит энергию, а вытесняемая холодная вода идет вниз, где тоже нагревается. Такая циркуляция (конвективные токи жидкости) и обеспечивает конвективный, с потоком вещества теплоперенос.
Если же греть воду сверху, рассчитывая только на теплопроводность, то тепло доберется до нижних ее слоев очень нескоро. И наоборот, охлаждать воду нужно сверху. Тогда холодная, более тяжелая вода будет идти вниз, и придонные слои тоже быстро охладятся вследствие конвекции.
Расчеты показали, что объяснить теплопередачу не сверх- теплопроводностыо Не II, а конвекцией трудно: для этого его вязкость должна быть крайне мала. Иначе конвекция не
будет столь интенсивной, как наблюдаемая. Но измерения вяз， кости Не II, проведенные в Канаде (Торонто), показали, что она гораздо больше, чем вычисленная по модели Капицы. Чтобы снять это и другие противоречия и дать физикам-теоретикам основу для построения соответствующей теории, Капица и ег0 помощники подготовили и провели ряд остроумных и трудно， выполнимых экспериментов с Не И.
Начали с измерения вязкости. Ее очень трудно правильно измерить даже при обычных температурах - мешает перемеши. вание жидкости (турбулизация), которое увеличивает сопро， тивление и показывает, следовательно, завышенную вязкость. Чтобы избежать этого, нужно пропускать жидкость через очень узкую щель. Был создан вискозиметр (прибор для измерения вязкости) со щелью размером 0,5 мк (0,0005 мм), который мог надежно работать на гелиевом уровне.
Измерения показали, что идея Капицы была верной. Вяз- * кость Не И оказалась по крайней мере в 1000 раз меньше, чем измеренная экспериментаторами раньше. Оправдалось изречение А・ П. Чехова ^Человеков ловят на противоречиях,\ ' Но и это значение вязкости, если учесть все же возможную турбулентность, было завышенным. Поэтому Капица предполо- эййл, что Не П вообще лишен вязкости и представляет собой ^идеальную жидкость, трение между слоями которой отсутству- *ет вообще. По аналогии со сверхпроводимостью он назвал это ^ойство сверхтекучестью. Тогда так называемая 5,сверхтепло- проводностьстановится лишь следствием сверхтекучести; тепло переносится в Не II не теплопроводностью, а конвекцией.
Далее последовала целая серия новых экспериментов. Было доказано точными измерениями, что истинная теплопроводность Не II примерно такая же, как и у жидкого Не I, т.е. примерно в 100000 раз меньше, чем у меди. Таким образом, было окончательно подтверждено предположение, что сверхтеплопровод- ности как таковой нет, а все дело в сверхтекучести.
Но самый парадоксальный эффект был получен при дальнейших опытах со сверхтекучим гелием. Исследование началось с того, что было создано устройство, позволяющее полу- I чить поток Не II и изучить его поведение как при течении в трубе, так и при выходе струи из нее в ванну с гелием. Было 83口ано устройство, схема которого в двух вариантах пока- занА на рис. 7.10. В сосуде 2, помещенном в ванну 1 со сверхтекучим гелием, помещен электронагреватель 3 (рис. 7.10, а). Пр^ 258
Рис. 7.10. Опыты с однонаправленным течением жидкого Не Ц:4 6 — вытекание при нагреве из нагреваемой колбочки и реактивной турбинкиРис. 7.10. Опыты с однонаправленным течением жидкого Не Ц:4 6 — вытекание при нагреве из нагреваемой колбочки и реактивной турбинки
Рис. 7.10. Опыты с однонаправленным течением жидкого Не Ц:
4 6 — вытекание при нагреве из нагреваемой колбочки и реактивной турбинки
Рис. 7.10. Опыты с однонаправленным течением жидкого Не Ц:
4 6 — вытекание при нагреве из нагреваемой колбочки и реактивной турбинки
его включении происходит нагрев жидкого гелия, находащего- ся в колбочке, и часть его вытекает наружу через горловину сосуда 2. Образующаяся струя давит на диск 4, подвешенный на нити 5 так, чтобы струя попадала на него, поворачивая его на некоторый угол.
Однако диск 4 показывал только действие струи, вытекавшей из горловины колбочки. Никакие его перемещения не показывали наличия какого-либо потока, втекающего в колбочку. Получалась совершенно непонятная картина - гелий постоянно, в течение неограниченного времени вытекал из колбочки как из сказочного рога изобилия, но не втекал в нее!
Очень красиво это явление демонстрировал опыт с реактивной турбинкой ("паучком”) (рис. 7.10, б). Стеклянный "паучок", насаженный на вертикальную иглу 2, был погружен в жидкий Не II. кончики 3 его "лапок”, загнутые под прямым углом, имели отверстия на концах. Через них он, при погружении в ванну, заполнялся жидким гелием. В центральной его части 4 внутренняя поверхность была зачернена. Если освещать это место
Рис. 7.11. Схема первоначального объяснения опытов, показанных на рис. 7.10
пучком света 6 (т.е. нагревать), то тепло будет передаваться гелию так же, как в опыте с нагреваемой колбочкой. В результате нагрева гелия происходит то же самое, что и в предыдущем опыте: гелий непрерывно вытекает, но не из одного отверстия, а из кончиков всех 5,лапок паучка". Это видно потому, что ,?пау- чок*5 начинает вращаться под действием реактивной силы в направлении, противоположном тому, куда вытекают струйки жидкости. Но равного ему втекания нет, ибо в этом случае "nayqoK” бы не вращался!
Единственное предположение, которое можно было сделать по этому поводу (если, разумеется, исключить чудо), состояло в том, что гелий все же втекал обратно вдоль стенки тончайшим слоем. Капица сначала так и предполагал: на рис. 7.11 показана предложенная им схема встречного движения жидкого Не II. Однако при всем его искусстве экспериментатора обнаружить этот слой не удалось. Но факт оставался и требовал объяснения. Тут явно нужна была помощь теоретиков мирового класса.
Лело осложнялось и тем, что пока шли все эти исследования, наступили еще более тяжелые времена: в 1939 г. в Европе началась вторая мировая война.
Тем не менее научная работа в ряде центров, в том числе в ИФП, продолжалась. Результаты открытий П. Л. Капицы и его предшественников были опубликованы и стали известны теоретикам; некоторые из них, в частности Ф. Лондон из Оксфорда, сделали первые шаги к созданию теории Не II. Но решающие заслуги в этом связаны с именами двух еще молодых в то время людей.
Первым из них был венгерский физик Ласло Тисца (Тисса), которому в 1938 г., когда он разрабатывал теорию Не II, шел 31-й год. Он учился в Геттингенском и Лейпцигском университетах, а в 1932 г. получил докторскую степень в Будапе штскоМ университете. В 1935-1937 гг. работал в Харьковском физико- 260
техническом институте вместе с Л. В. Шубниковым, где и при* обшился к криофизике. С 1937 г. работал в Коллеж де Франс в Париже, а затем с 1941 г. в Массачусетском технологическом институте (США).
Л. Тисиа предложил безумную, на первый взгляд, идею, основанную на предположении, что Не II представляет собой композицию из двух взаимопроникающих жидкостей - сверхтекучей, обладающей нулевой вязкостью, и нормальной, имеющей вязкость и несущую некоторую внутреннюю энергию, обеспечивающую перенос тепла. Обе могут одновременно двигаться по одному каналу в противоположных направлениях, не взаимодействуя между собой. Такая 5,двухжидкостная модель” хорошо объясняла не только опыты Капицы, но и позволила предсказать некоторые другие эффекты, открытые впоследствии для Не II.
В опыте Капицы (рис. 7.10, а) при таком подходе отпадает необходимость в привлечении пристеночного течения встречного тонкого слоя для объяснения эффекта. По горловине колбочки просто идут два встречных потока: один - ,5нормаль- ннй” 一 наружу, выносящий энергию, подводимую греющей спиралью, и другой - встречный "сверхтекуиий", идущий "сквозь?, первый. Поскольку вязкостью обладает только нормальная жидкость, она давит на диск 4 и отклоняет его, а сверхтекучая жидкость, не имеющая вязкости, на него не действует.
Смелая идея Тисцы вызвала двоякую реакцию: некоторые отвергли ее как фантастическую, но другие, в том числе Капица, хотя и не сразу, приняли ее.
П.Л. Капица предложил очень остроумную аналогию механизма ^^cквoзнoгo^^ течения двух встречных потоков частиц в Не II. Он сравнил их с потоками одетых и неодетых людей, которые движутся по проходу в раздевалке театра. Одетые будут представлять собой нормальные атомы гелия, получившие в гардеробе нужную им "знеррию”，а неодетые - это сверхтекучие атомы гелия, которые легко проходят мимо своих одетых собратьев. Правда, Капица замечает, что эта аналогия условна, поскольку на самом деле неодетым не так уж легко продаинуться через толпу одетых без трения; тем не менее она очень наглядна.
Лвухжидкостная модель Тисцы была взята за основу рядом крупных физиков, чтобы развить ее и подкрепить основатель-
261
Рис. 7.12. Л.Д. ЛандауРис. 7.12. Л.Д. Ландауной теоретической базой. Среди нщ были Ф・ Лондон, Л. Ландау, Л. Онза, гер, Р. Фейнман. Наибольший вклад в нее сделал Ландау, который поел® разгрома лаборатории Шубников^ ежовскими борцами за уничтожение "шпионов и вредителей" уехал из Харькова. Его взял к себе П. Капицу в Институт физических проблем зд. ведующим теоретическим отделом. Этот переход был связан с рядом трудностей, которые все же удалось преодолеть. Однако Ландау был уже ,5под колпаком55 НКВД< Наивный гений Н. Бор, ничего, естественно, не знавший о ситуации, пригласил Ландау поработать в Данию. П.Л. Капица
Рис. 7.12. Л.Д. Ландау
Рис. 7.12. Л.Д. Ландау
дипломатично ответил, что ^говорил с ним об этом, и он сказал, что в настоящее время он очень занят своей новой теоретической работой и думает, что было бы лучше отложить его визит на более поздний срок5*. Но Ландау ждала другая поездка, Едва он приступил к работе в Москве, как в апреле 1938 г. был арестован. П. Л. Капица приложил огромные усилия, чтобы его освободить： писал Сталину, Молотову, был на приеме у заместителей Берии (который к этому времени уже заменил снятого Ежова). В конце концов под письменное ^личное поручитель- ство,5 Капицы Ландау (который уже полностью согласился с
тем, что он шпион и контрреволюционер) был освобожден. Ровно через год он вернулся на прежнее место в ИФП и активна включился в работу. Уже в 1940-1941 гг. одновременно с работами Капицы вышли в свет его исследования по теории Не 11.
П. Л. Капица поддерживал положения и выводы Ландау» но все же оставалось в силе его замечание по поводу двухжид- костной теории, состоящее в том, что она звучит "как идея, которую очень трудно признать разумной5\ Было бы очень полезно, как он считал, провести такой эксперимент, который окончательно показал бы наличие двух жидкостей (,5компо- нент", говоря языком физиков) в Не II. Это было сделано Э. Ан- дроникашвили - докторантом П. Л. Капицы в ИФП.
Э. Андроникашвили начал стажировку в качестве докторан， та у Капицы в ИФП в 1940 г. и продолжил ее после перерыва, 262
^язанного с войной (1945-1948 гг.)- Здесь он и провел тот, ставший классическим эксперимент с Не II, о необходимости которого говорил Капица.
Идея заключалась в том, что в сосуде с Не II нужно было дви* гать какой-нибудь объект с развитой поверхностью, погруженный в жидкость. Нормальная компонента, обладающая вязкостью, увлекалась бы его поверхностью, и силу ее сопротивления можно было бы измерить. Сверхтекучая компонента, напротив, никак не влияла бы на этот объект, так как не имела вязкости. Меняя температуру Не II, можно было бы определить, как изменяется соотношение нормальной и сверхтекучей компонент (если они существуют). Лля этого была изготовлена стопка из 100 тонких металлических дисков (толщиной 10 мк, т.е. 0,01 мм), надетых на стержень, с расстоянием между ними 0,02 мм. Это сооружение погружалось в жидкий гелий, и длинный конец стержня, выходивший наружу, закреплялся в верхней части. Стержень (вместе с дисками) приводился в крутильные колебания. Сила, которая их тормозила, определяемая трением о нормальную компоненту, могла быть определена по уменьшению периода крутильных колебаний.
После того как были преодолены многочисленные экспериментальные трудности, стенд заработал.
Результаты опытов полностью подтвердили двухжидко吋 ную модель: при понижении температуры торможение вращения дисков, определяемое вязкостью нормальной компоненты, постепенно уменьшалось и где-то в области температур, близких к 0,5 К, прекращалось совсем.
За эту работу Э. Андроникашвили получил в 1952 г. Государ
ственную премию.
Что касается заслуг П. Л. Капицы и Л. Ландау в области исследований, связанных с криофизикой, и в частности с жидким гелием, то они были опенены с некоторым опозданием.
Л. Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике "за пионерские исследования по теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия55 в 1962 г. (более чем через 20 лет), а П. Капица получил ее "за фундаментальные изобретения и
открытия в области физики низких температур，п в 1978 г. (т<е примерно через 40 лет после того, как они были сделаны). Луч. ше поздно, чем никогда!
Теоретические работы по сверхтекучему гелию к этому вре. мени (70-е годы) нашли уже практическое применение. Развц. лось и новое направление в криогенной технике, которое П. Л. Капица начал еще в конце 30-х годов работами по разде« пению воздуха и производству кислорода. Здесь он вызвал потрясения не меньшие, чем в области исследований жидкого гелия.
Об этих и других событиях в области физики и техники низких температур пойдет речь в гл. 8. Здесь же, чтобы закон, чить обзор истории ,,сверхъявлений,\ нужно вернуться к даль, нейшему развитию событий в области сверхпроводимости.
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ - РАЗОЧАРОВАНИЯ,
УСПЕХИ И НАДЕЖДЫ
После первоначальной эйфории, охватившей ученый мир, узнавший об открытии Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости, наступило и некоторое разочарование, связанное как с тем, что сверхпроводимость легко разрушалась под действием электрического и магнитного полей, так и с тем, что не удалось обнаружить веществ, которые сохраняли ее при Т> 10 К. Тем не менее физики продолжали исследования.
Вопрос могли решить лишь новые факты, полученные из экспериментов, и теория, которая, с одной стороны, могла бы "вместить” эти факты и, с другой стороны, показала бы, на что можно было рассчитывать в перспективе.
Мы не можем здесь детально вникать в историю событий, связанных со сверхпроводимостью; они подробно описаны во многих научно-популярных изданиях [1, 6, 8, 14]. Отметим лишь основные вехи.
В 1933 г. Мейснер и Оксенвельд обнаружили, что внешнее магнитное поле не проникает внутрь сверхпроводника, если его значение не превышает некоторого критического значе-
Характерно, что в этой формуле отмечаются его заслуги не только на产 ные, но и инженерные!
HH^i. Это явление - "выталкивание” магнитного поля из сверхпроводника получило название ^эффекта Мейснера”. После- 0юшие исследования дополнили картину процессов в сверхпроводнике, связанную с этим эффектом.
Среди них важное место заняли результаты, полученные Л Шубниковым в Харькове еще в 1934 г. и затем А. Шальнико- вНМ в Москве. Они обнаружили внутри сверхпроводника слож- Н0© ^промежуточное состояние*5 - чередующиеся сверхпроводящее и нормальные слои. Такой ^слоеный пирожок,? получил название "фазы Шубникова?\ Оказалось, что при увеличении 口опа оно проникает в сверхпроводник не сразу (и следовательно, подавляет сверхпроводимость тоже не сразу). Это сложный процесс; сверхпроводник ему упорно сопротивляется, отстаи- ван каждую промежуточную позицию. Если можно было бы как- то увеличить это противодействие, то повысились бы и критические токи, и критические температуры.
В 1937 г. Ландау теоретически вывел то же, что показал Шубников в эксперименте, - в сверхпроводнике переход в нормальное состояние должен происходить не сразу, а постепенно. Понятие о таком ,,промежуточномп состоянии сверхпроводников ввели за год до этого в Англии Р. Пайерлс и Ф. Лондон. По мере увеличения поля оно частично проникает в сверхпроводник, причем должны образоваться чередующиеся слои - сверхпроводящие и нормальные.
В 1950 г. Л. Л. Ландау и В. Л. Гинзбург сделали следующий шаг - они создали феноменологическую теорию сверхпроводимости. В основу была положена идея Ландау об аналогии между сверхпроводимостью и сверхтекучестью.
В том же 1950 г. группой советских физиков была начата разработка теории так называемых сверхпроводников Л рода, которые могли более успешно сопротивляться проникновению 8 них магнитного поля, чем обычные, камерлинг-оннесовские (теперь они стали называться сверхпровод ни кам u I рода). Кро-
ме Ландау в эту группу входили В. Л. Гинзбург, А. А. АбрикОСо и Л. ГЕ Горьков. Сокращенно эта теория называлась ГЛАГГ. g 1952 г. работа была завершена.
В 1956 г. американский физик Л. Купер разработал нову^ теорию, по которой свободные электроны, несущие ток, в свер^ проводнике движутся не индивидуально, а образуют пар* Такая ^любовная связь** между ними считалась до этого абс$ лютно невозможной, поскольку, имея одинаковые отрицатель, ные заряды, они должны взаимно отталкиваться. Однако пр^ криотемпературах их взаимодействие с атомной решеткой м& талла создает силы притяжения, преодолевающие это оттал. кивание. Электроны, движущиеся парами (так называемые ^куперовские пары”), перемещаются в сверхпроводнике без сопротивления. Но, увы, связи этих пар прочны только при низких температурах; подогрев или действие сильного магнитного поля приводят к их разрыву, и сверхпроводимость исчезает. Теория ^куперовских пар”, как они были потом названы, дала прочную основу для понимания сверхпроводимости, Год 1957 был знаменательным не только потому, что в нем были сделаны многие фундаментальные работы в области сверхпроводимости. В этом году, во время "оттепели”, П. Л. Капица снова получил ^международное хождение55. После долгого перерыва в Москве на конференции по физике низких температур, проходившей в ИФП у Капицы, встретились люди, работавшие в разных странах над исследованиями сверхтекучести и сжерхпроводимости. На традиционном банкете в честь завершения конференции первый тост был принят в память Л* В. Шубникова.
Наконец, в том же 1957 г. (через 46 лет после открытия Камер линг-Оннеса) была создана первая достаточно полная 切 того времени микроскопическая теория сверхпроводимости» основмкая на ^куперовских парах55. Это было сделано нез% вмсноло в СССР Н. Боголюбовым и в США Дж. Бардином,几整 перол и Лж.ДПриффером (БКШ-теория). Американские физ^в 1972 г. получили за эту работу Нобелевскую премию.
Параллельно с развитием теории шли и поиски новых, бон* устойчивых сверхпроводников (СП), возможность существ^ ния которых она предсказывала. И действительно, в 196^， первый такой сплав ниобия с оловом Nb3Sn был получен в С1^ Л. Кунцлером. Были найдены и другие сплавы, критиче^ 减
恥
^мпературы которых доходили до 24 К. Они позволили созда- в&ть мощные магнитные поля.
Мечта Камерлинг-Оннеса наконец осуществилась. Началась полоса разработок электротехнических устройств на сверхпро- воДН0ках, и прежде всего мощных магнитов, дающих поля в десятки Тесла1, и не на короткое время, а постоянно.
Если говорить о главном направлении, в котором сверхпро- водники уже заняли прочное место, - изготовлении солено- н〃ов для создания сильных магнитных полей, то здесь при использовании постоянного тока тепловыделений практически нет. Поэтому криорефрижератор должен отводить только тепло, проникающее через изоляцию, а оно сравнительно невелико. Соленоид запитывается током один раз, а затем он практически неограниченно долго циркулирует в обмотке.
Сейчас компактные сверхпроводящие устройства, обеспечивающие сильные магнитные поля, нашли широкое применение прежде всего в научных исследованиях для создания экспериментальных установок, в частности ускорителей заряженных частиц, пузырьковых камер и, наконец, ^магнитных ловушек” для удержания плазмы в термоядерных исследованиях.
В промышленности СП-магниты используются для сепара- • ции материалов, содержащих ферромагнитные примеси, для безрельсовых поездов на магнитной подвеске, в некоторых электрических машинах. Наконец, они помогли сделать существенный шаг вперед в медицине как для магнитной диагностик ки (томография), позволяющей без рентгеновского облучения увидеть на экране любой участок внутри человеческого тела, так и для лечения.
Все эти успехи породили надежды и на более широкое использование СП в энергетике. Это касалось главным образом Вех задач： создания дальних линий электропередачи (ЛЭП) с малыми потерями, крупных электрических машин (генераторов и двигателей) и, наконец, накопителей энергии.
丄 Чтобы представить себе силу такого поля, можно привести пример. Чтобы Ладить из поля с магнитной индукцией, равной 1。Тл, обыкновенный желез- 3* гвоздь весом 10 г, нужно приложить силу, равную весу около 10000 таких га°адей, т.е. около 100 кг.
Решение первой задачи сулило существенное снижение 门亠 терь в ЛЭП и возможность осуществлять "перекачку” огромн^ потоков электроэнергии между отдаленными районами 如* покрытия "пиков” потребления. Если бы удалось рещИть вторую задачу, то это дало бы возможность не только снизи^ электрические потери в машинах, но и уменьшить чуть ли це вдвое их габариты. Соответственно можно было бы во столько же раз увеличить их единичную мощность, что дало бы очень большой экономический эффект.
Наконец, создание крупных накопителей электроэнергии в виде огромных СП-соленоидов5 запитываемых>током во время "провалов” в ее потреблении и отдающих ее в сеть во время "пиков”, имело бы колоссальное значение. Оно сняло бы глав， ный недостаток электроэнергии - невозможность запасать ее в больших количествах. Химические аккумуляторы или бата- реи конденсаторов на это неспособны.
Однако 5,гладко было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить55. ,,Овраговм оказалось очень много. Лля длин- ных ЛЭП не хватило бы гелия, производимого в развитых стра
нах; в машинах трудно обеспечить тепловую изоляцию и подачу жидкого гелия в движущиеся части. В крупных накопителях возникали такие разрывающие усилия от отталкивания
обмоток, что нужно было помещать соленоид в прочнейшую конструкцию диаметром сотни метров и к тому же теплоизолированную... И главное, нужно много мощных гелиевых рефрижераторов, которые и стоят немало, и электроэнергии потребляют очень большое количество (на вырабатываемый 1 кВт*ч хо
лода 400-500 кВт-ч электроэнергии).
Все это, в принципе, преодолимо. Но экономика... как говорил один умный академик: ^Современная техника может очень много. Можно даже, если всерьез заняться, перекачать Атлантический океан в Тихий. Но возникают два вопроса* нужно ли это и сколько это стоит? ”
На первый вопрос, применительно к СП -устро йствам, в 日改 которых из упомянутых случаев можно ответить положите^ но; но как быть со вторым? Из-за невозможности ответить 般 него утвердительно, работы во всех трех перечисленных н" правлениях далеко не продвинулись, хотя частные успехи в* же были.
Дело снова затормозилось и, как всегда в таких число скептиков резко возросло, а оптимистов о стало
5以10 ясно, что если сверхпроводимость не оторвется вверх 0T уро®ня гелиевых и водородных температур, она в нужном объеме никогда не решит глобальные задачи, перечисленные 評&
Как это ни парадоксально, ^гелиевая55 криогеника, которая породила сверхпроводимость, ее и убивает! Для следующего прорыва в технике, выхода на новую 5-кривую нужно было вый- тИхотя бы на уровень азотных температур.
Среди оптимистов, уверенных в том, что сверхпроводимость урвется на более высокий температурный уровень, ведущее место занимаг^акад. В. Гинзбург (тот самый, который совместно с д. Ландау был автором одной из основополагающих теорий сзерхпроводимости). Он даже написал книгу на эту тему, где вВел в употребление термин ^высокотемпературная сверхпроводимостьп и рассмотрел возможные ее варианты.
Однако обнаружить экспериментально что-либо подобное не удавалось, несмотря на то что физики-оптимисты во всем мире вели упорный поиск.
Все же, в конце концов, в 1986 г. прорыв состоялся, но не там, где его ждали.
Сотрудники швейцарского научно-исследовательского подразделения известной американской фирмы "Интернейшенл бизнес мэштн" Лж. Беднорц и А. Мюллер, исследуя электропроводность керамики, содержащей редкоземельные элементы1, обнаружили, что она переходит в сверхпроводящее состоя-
ние при 30 К! Дальше сенсации посыпались одна за другой - лаборатории во многих странах ^навалились5* на такие керамики. Были найдены аналогичные материалы, сохранявшие
высоких температурах, вплотьвысоких температурах, вплотьсверхпроводимость и при более
высоких температурах, вплоть
высоких температурах, вплоть
вполне заслуженно стали ввполне заслуженно стали влауреатами Нобелевской премии.лауреатами Нобелевской премии.СС:;азотных (78 К) и даже более высоких, превышавших "° К. Дж. Беднорц и А. Мюллер 1987 г.
вполне заслуженно стали в
вполне заслуженно стали в
лауреатами Нобелевской премии.
лауреатами Нобелевской премии.
С
С
открытием высокотемпературной сверхпроводимости свя- одна немного грустная, но поучительная история. Еще за
лет до этого события, в 1979 г., сотрудники Института 暗也е" и неорганической химии (ИОНХ) АН CCCR И. С. Маты-
Редкоземельные элементы — лантаноиды, относятся к Ш группе табли- ^енделеева. Кроме лантана в нее входят еще 14 элементов (церий, гадоли- 工 Диспрозий, туллий и др.)・
гин, Б. Г. Кохан и В. Б. Лазарев сделали лантан-стронциевую “ лантан-бариевую керамики. Изучая их свойства, они обнару жили высокую электропроводность, которая быстро увелих^ валась по мере понижения температуры. Вместо того чт0^ посмотреть, к чему это понижение сопротивления в конце концов приведет, они добрались до азотных температур и остановились. Потом выяснилось, что эти керамики уже пр； 40^35 К переходят в сверхпроводящее состояние. Не хват冰 ло всего-навсего любопытства, чтобы посмотреть, что будет дальше. Но для этого нужно было возиться с жиддким гелием (или водородом)... Так было упущено великое открытие. Пот тине А. С. Пушкин оказался и здесь, как во многих случаях, прав, когда написал ”мы ленивы и нелюбопытны5\Несмотря на значительную работу теоретиков всего мира, механизм этого вида сверхпроводимости далеко еще це ясен.Сенсационное открытие высокотемпературной сверхпрово- димости (ВТСП) возродило надежды на создание СП-линий электропередачи, накопителей электроэнергии, генераторов и многих других устройств. Ведь главное препятствие - труд, ное и дорогое обеспечение криотемператур на гелиевом или водородном уровнях - отпадало! Работать с жидким азотом I или другими аналогичными криоагентами гораздо легче! Некоторые ^специалисты^ (правда, далекие от криогеники) даже. утверждали всерьез, что "冰идкн步 азот дешевле газированной i воды”. Это, конечно, далеко не так. Однако переход с уровня температур 4-20 К на уровень температур 80-100 К несомненно создал бы совершенно новые, качественно более благоприят- ные условия для расширения использования сверхпровоД' ников в технике.Но, увы, все оказалось сложнее. Повторяется та же ситуации что создалась во времена Камерлинг-Оннеса после открытия покагин, Б. Г. Кохан и В. Б. Лазарев сделали лантан-стронциевую “ лантан-бариевую керамики. Изучая их свойства, они обнару жили высокую электропроводность, которая быстро увелих^ валась по мере понижения температуры. Вместо того чт0^ посмотреть, к чему это понижение сопротивления в конце концов приведет, они добрались до азотных температур и остановились. Потом выяснилось, что эти керамики уже пр； 40^35 К переходят в сверхпроводящее состояние. Не хват冰 ло всего-навсего любопытства, чтобы посмотреть, что будет дальше. Но для этого нужно было возиться с жиддким гелием (или водородом)... Так было упущено великое открытие. Пот тине А. С. Пушкин оказался и здесь, как во многих случаях, прав, когда написал ”мы ленивы и нелюбопытны5\Несмотря на значительную работу теоретиков всего мира, механизм этого вида сверхпроводимости далеко еще це ясен.Сенсационное открытие высокотемпературной сверхпрово- димости (ВТСП) возродило надежды на создание СП-линий электропередачи, накопителей электроэнергии, генераторов и многих других устройств. Ведь главное препятствие - труд, ное и дорогое обеспечение криотемператур на гелиевом или водородном уровнях - отпадало! Работать с жидким азотом I или другими аналогичными криоагентами гораздо легче! Некоторые ^специалисты^ (правда, далекие от криогеники) даже. утверждали всерьез, что "冰идкн步 азот дешевле газированной i воды”. Это, конечно, далеко не так. Однако переход с уровня температур 4-20 К на уровень температур 80-100 К несомненно создал бы совершенно новые, качественно более благоприят- ные условия для расширения использования сверхпровоД' ников в технике.Но, увы, все оказалось сложнее. Повторяется та же ситуации что создалась во времена Камерлинг-Оннеса после открытия покасверхпроводимости. Новые керамические проводники не выдерживают больших токов - сверхпроводимость ле叫 разрушается. Кроме этого, для практического использован^ । нужны сверхпроводящие провода и кабели, а не пластинка . 口八门心心 А или пленки из керамики. Поэтому идет сложная, медлен^0 здес^'^ 工 ое отличие состояло в т°м，что задачипродаигающаяся, но не безуспешная работа по созданию нов^ исслепппдммя ：£!：?*' Не экспеРиментально-физического сильноточных сверхпроводников и изделий из них, пригоДН^ r^п инженерного творчества. Кроме это-—，巾 7 здесь 口叩叨 Капицей была не «едва тронутая целина» а гносительно давно существующая, развитая область техники,сверхпроводимости. Новые керамические проводники не выдерживают больших токов - сверхпроводимость ле叫 разрушается. Кроме этого, для практического использован^ । нужны сверхпроводящие провода и кабели, а не пластинка . 口八门心心 А или пленки из керамики. Поэтому идет сложная, медлен^0 здес^'^ 工 ое отличие состояло в т°м，что задачипродаигающаяся, но не безуспешная работа по созданию нов^ исслепппдммя ：£!：?*' Не экспеРиментально-физического сильноточных сверхпроводников и изделий из них, пригоДН^ r^п инженерного творчества. Кроме это-—，巾 7 здесь 口叩叨 Капицей была не «едва тронутая целина» а гносительно давно существующая, развитая область техники,
гин, Б. Г. Кохан и В. Б. Лазарев сделали лантан-стронциевую “ лантан-бариевую керамики. Изучая их свойства, они обнару жили высокую электропроводность, которая быстро увелих^ валась по мере понижения температуры. Вместо того чт0^ посмотреть, к чему это понижение сопротивления в конце концов приведет, они добрались до азотных температур и остановились. Потом выяснилось, что эти керамики уже пр； 40^35 К переходят в сверхпроводящее состояние. Не хват冰 ло всего-навсего любопытства, чтобы посмотреть, что будет дальше. Но для этого нужно было возиться с жиддким гелием (или водородом)... Так было упущено великое открытие. Пот тине А. С. Пушкин оказался и здесь, как во многих случаях, прав, когда написал ”мы ленивы и нелюбопытны5\
Несмотря на значительную работу теоретиков всего мира, механизм этого вида сверхпроводимости далеко еще це ясен.
Сенсационное открытие высокотемпературной сверхпрово- димости (ВТСП) возродило надежды на создание СП-линий электропередачи, накопителей электроэнергии, генераторов и многих других устройств. Ведь главное препятствие - труд, ное и дорогое обеспечение криотемператур на гелиевом или водородном уровнях - отпадало! Работать с жидким азотом I или другими аналогичными криоагентами гораздо легче! Некоторые ^специалисты^ (правда, далекие от криогеники) даже. утверждали всерьез, что "冰идкн步 азот дешевле газированной i воды”. Это, конечно, далеко не так. Однако переход с уровня температур 4-20 К на уровень температур 80-100 К несомненно создал бы совершенно новые, качественно более благоприят- ные условия для расширения использования сверхпровоД' ников в технике.
Но, увы, все оказалось сложнее. Повторяется та же ситуации что создалась во времена Камерлинг-Оннеса после открытия пока
гин, Б. Г. Кохан и В. Б. Лазарев сделали лантан-стронциевую “ лантан-бариевую керамики. Изучая их свойства, они обнару жили высокую электропроводность, которая быстро увелих^ валась по мере понижения температуры. Вместо того чт0^ посмотреть, к чему это понижение сопротивления в конце концов приведет, они добрались до азотных температур и остановились. Потом выяснилось, что эти керамики уже пр； 40^35 К переходят в сверхпроводящее состояние. Не хват冰 ло всего-навсего любопытства, чтобы посмотреть, что будет дальше. Но для этого нужно было возиться с жиддким гелием (или водородом)... Так было упущено великое открытие. Пот тине А. С. Пушкин оказался и здесь, как во многих случаях, прав, когда написал ”мы ленивы и нелюбопытны5\
Несмотря на значительную работу теоретиков всего мира, механизм этого вида сверхпроводимости далеко еще це ясен.
Сенсационное открытие высокотемпературной сверхпрово- димости (ВТСП) возродило надежды на создание СП-линий электропередачи, накопителей электроэнергии, генераторов и многих других устройств. Ведь главное препятствие - труд, ное и дорогое обеспечение криотемператур на гелиевом или водородном уровнях - отпадало! Работать с жидким азотом I или другими аналогичными криоагентами гораздо легче! Некоторые ^специалисты^ (правда, далекие от криогеники) даже. утверждали всерьез, что "冰идкн步 азот дешевле газированной i воды”. Это, конечно, далеко не так. Однако переход с уровня температур 4-20 К на уровень температур 80-100 К несомненно создал бы совершенно новые, качественно более благоприят- ные условия для расширения использования сверхпровоД' ников в технике.
Но, увы, все оказалось сложнее. Повторяется та же ситуации что создалась во времена Камерлинг-Оннеса после открытия пока
сверхпроводимости. Новые керамические проводники не выдерживают больших токов - сверхпроводимость ле叫 разрушается. Кроме этого, для практического использован^ । нужны сверхпроводящие провода и кабели, а не пластинка . 口八门心心 А или пленки из керамики. Поэтому идет сложная, медлен^0 здес^'^ 工 ое отличие состояло в т°м，что задачи
продаигающаяся, но не безуспешная работа по созданию нов^ исслепппдммя ：£!：?*' Не экспеРиментально-физического сильноточных сверхпроводников и изделий из них, пригоДН^ r^п инженерного творчества. Кроме это-
—，巾 7 здесь 口叩叨 Капицей была не «едва тронутая целина» а гносительно давно существующая, развитая область техники,
сверхпроводимости. Новые керамические проводники не выдерживают больших токов - сверхпроводимость ле叫 разрушается. Кроме этого, для практического использован^ । нужны сверхпроводящие провода и кабели, а не пластинка . 口八门心心 А или пленки из керамики. Поэтому идет сложная, медлен^0 здес^'^ 工 ое отличие состояло в т°м，что задачи
продаигающаяся, но не безуспешная работа по созданию нов^ исслепппдммя ：£!：?*' Не экспеРиментально-физического сильноточных сверхпроводников и изделий из них, пригоДН^ r^п инженерного творчества. Кроме это-
—，巾 7 здесь 口叩叨 Капицей была не «едва тронутая целина» а гносительно давно существующая, развитая область техники,
проекты (да и многие другие) пойдут в ход. Появится возмож- нОсть создания линий электропередачи, электрических ма- щцн, компактных накопителей (аккумуляторов) энергии огромной емкости - стационарных и транспортных, мощных элек- ^омагнитов, приборов и другого оборудования (вплоть до магнитных пушеки, забрасывающих объекты в Космос).
Проблемы, относящиеся к области низких температур, в пер- ^ективе могут быть различными; скорее всего значительная иасть СП-устройств будет по-прежнему нуждаться в криогенной 0nH холодильной технике. Правда, некоторые ,5горячие головы5* утверждают, что вся сверхпроводимость станет возможной на уровнях температур окружающей среды и даже более высоких. В этом случае расторжение многолетнего союза между сверхпроводимостью и криогеникой вполне возможно. Пока же этот "брак” достаточно прочен и "развода” не намечается.
Теперь необходимо вернуться к основной теме - низким тем- тературам и проследить, как развивалась во второй половине XX в. ее наиболее низкотемпературная часть - криогеника и ее приложения в технике.
Глава восьмая
КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА XX В.
Все, что позволяет теория,может быть осуществимо,
Ж. Клод 8.1. «КИСЛОРОДНЫЕ ДЕЛА"
Еще до начала вызвавших международную сенсацию работ по жидкому гелию П. Л. Капица задумал взяться и за работу в совсем другой и новой для него области низкотемпературнрй техники - получение кислорода из воздуха.
для технического использования. Если она завершитсядля технического использования. Если она завершитсяно,но,откроются огромные возможности: все описанныеоткроются огромные возможности: все описанные普0:普0:Это направление принципиально отличалось от гелиевого не только тем, что относилось к области менее низких темпе-
для технического использования. Если она завершится
для технического использования. Если она завершится
но,
но,
откроются огромные возможности: все описанные
откроются огромные возможности: все описанные
普0:
普0:
в которой поработали такие первоклассные исследователи r инженеры, как К. Линде, Ж. Клод и др.
К началу 40-х годов мировая техника низкотемпературноГо разделения воздуха достигла уровня, позволяющего серийно выпускать установки, производящие газообразный кислорОй до 3600 м3/ч (или азот 7000-8000 мэ/ч), а также жидкостные у& тановки, дававшие жидкие кислород или азот до 500 кр% Была отработана до промышленного уровня и технология 口。切： чения из воздуха инертных газов - аргона, криптона, ксенона и неона.
Постепенно расширялась и сфера применения продуктов разделения воздуха. Кислород использовался для так называе. мых автогенных работ (резки и газовой сварки металлов), в медицине, для обеспечения дыхания при высотных полетах. Азот шел на синтез аммиака и последующее получение азотной кислоты и минеральных удобрений, инертные газы - для заполнения электроламп накаливания и газосветных трубок.
Таким образом, в области воздухоразделительной техники все росло, развивалось и распространялось.
Это благополучие ничуть не смутило Капицу. Он с величайшим уважением относился как к Линде, так и Клоду и не раз подтверждал это в своих статьях и переписке. Однако он считал, что созданная ими техника при всех ее достоинствах далеко не совершенна и уже не удовлетворяет потребностям общества середины XX в. Особенно скептически он оценивал достижения наших ведущих отечественных деятелей того времени в области разделения воздуха и получения жидких кислорода и азота. Он считал (не без основания), что они просто плетутся в хвосте и лишь перенимают заграничную (в основном немецкую) технику.
К этому времени в области воздухоразделительной техники сложилась ситуация, характерная для сатурационной ветви 5-кривой. Развитие в отрасли замедлилось, и качественные характеристики систем разделения воздуха практически 加 тельное время оставались примерно на одном и том же уровн© Вместе с тем подошло время для выхода на новую ступе^ развития; условия для этого уже были подготовлены со crop0' ны как потребностей общества, так и накопления необходим0 го для качественного скачка научно-технического заде”* Несмотря на всю эрудицию, у ведущих деятелей этой обла榔 не хватало интуиции, чтобы все это почувствовать; Капи口 272.
*е отягощенный грузом устоявшихся представлений, по- 时 ситуацию во всем ее объеме.
Прежде всего немного о первом условии - общественной потребности. Известно, что любое изобретение, каким бы хорошим и даже гениальным оно не было, безжалостно отвергает- 朗 обществом, если потребность в нем еще не назрела. Примеров тому бесчисленное множество: достаточно вспомнить изобре- ^■ения Леонардо да Винчи и многих других гениев, опередив- ；111Hx свое время. И напротив, если соответствующая потребность возникла, новая техника относительно быстро идет в ход. (Это, разумеется, не исключает борьбы и более чем достаточного набора трудностей.)
С производством кислорода дело обстояло именно так. Кислород -как газообразный, так и жидкий, становился все более нужным и во все больших количествах. Спрос на него начинала предъявлять черная металлургия (дутье? обогащенное кислородом, в доменном и сталеплавильном производствах). Появлялись при этом и новые процессы, вызывавшие поначалу шок у ведущих металлургов, - например, дутье технически чистым неразбавленным кислородом прямо в расплавленный чугун в сталеплавильных конвертерах. Раньше это считалось просто немыслимым - должен был неизбежно последовать взрыв! Кислород позволял интенсифицировать процессы и в цветной металлургии, химической промышленности, газификации топлив, производстве цемента и т.п. Дошло до того, что даже у такого "епе口必а/шста” в области техники, как Л. М. Каганович, в доклад на ХУШ съезде ВКП(б) был вставлен целый раздел "О применении кислородного дутья в доменном производстве”'・
На горизонте уже вставала в качестве серьезного потребителя жидаого кислорода ракетная техника; она прошла к этому времени длительный путь - от идеи жидкостного реактивного двигателя (К, Э, Циолковский, Россия, 1903 г.) и первой жидкостной ракеты (Р. Годдард, США, 1926 г.) до разработок ГИРД (Ф. А. Цандер, В. П. Глушко, С. П. Королев, СССР, и 匕 Оберт, В. фон Браун, Германия). Уже вовсю развернулись
Тут не обошлось, по-видимому, без влияния П. Л. Капицы, пытавшегося, ^ редким исключением без особого успеха) в своих письмах Сталину, Молотову "Каг&новичу [10, 11] объяснить, что такое научно-технический прогресс и как &峙 способствовать.
работы по созданию баллистических ракет К-1 и У、2, кот0, рыми немцы вскоре начали обстреливать Англию через ла манш.
Второе условие - наличие научно-технического задела в технике разделения воздуха - определялось, главным обра. зом, появлением двух нововведений - низкотемпературна регенераторов и турбодетандеров. Их начальное развитие бы. ло непосредственно связано с фирмой, созданной К. Линде.
Регенераторы как устройства для подогрева воздуха отхо- дящими горячими газами были известны давно, с середины XIX в., и применялись в сименс-мартеновском процессе выплав. ки стали. Идея их была очень проста: через кладку огнеупор, ных кирпичей, уложенных так, что через нее могли проходить газы, поочередно пропускались противотоком поступающий в печь воздух и отходящие горячие дымовые газы. Здесь исполь* зован тот же принцип, что и в холодном генераторе (см. рис. 3.6). Эти газы нагревали кирпичи (насадку), а сами охлаждались； затем через горячую насадку в противоположном направлении пропускался воздух, который, нагреваясь, охлаж дал насадку. Так, последовательно переключая потоки, можно было нагревать воздух за счет охлаждения отбросных газов.
Молодой инженер М. Френкль предложил использовать е процессах низкотемпературного разделения воздуха такого рода регенераторы вместо теплообменников для охлаждения поступающего сжатого воздуха выходящими кислородом и азотом. Поначалу эта идея вызвала у профессионалов-эрудитов даже не отрицание, а просто снисходительно-ироническое отношение. Применить эти грубые громоздкие кирпичные сооружения, в которых разности температур между потоками составляют десятки градусов, к тонкой технике разделения воздуха? Ведь здесь каждый градус и каждая калория ценятся на вес золота!
Тем не менее Френкль не отступал. Кирпичи были заменены тонкой гофрированной алюминиевой лентой (насадкой), каменный короб - стальным цилиндром. Получились компактные аппараты, в которых на 1 м3 объема приходилось несколько тысяч квадратных метров площади поверхности теплообмена
(вместо нескольких сотен в трубчатых теплообменниках). Этот успех был относительно быстро достигнут благодаря дальновидности фирмы Линде, которая приобрела патент Френкля К провела дорогостоящие работы по доведению его идеи до инженерного решения.
Однако дело не ограничилось только улучшением теплообмена. Оказалось, что регенераторы Френкля обладали еще од* ним важнейшим достоинством - они могли очищать воздух 0T примесей водяного пара и углекислого газа. Эти примеси в свое время причинили много неприятностей К. Линде. Они замерзали в теплообменнике и вентилях, забивали ректификационную колонну. Аппарат периодически приходилось отогревать, чтобы удалить из него вредные примеси. Мало этого, жидкий воздух (и кислород) выглядели как молоко из-за кристаллов твердого диоксида углерода. Чтобы очистить от них жидкость, приходилось ее фильтровать, как это делал Умов, показывая жидкий воздух московским профессорам и купцам. В дальнейшем задача очистки воздуха от этих примесей была решена: после сжатия он пропускался через баллоны с твердым едким натром NaOH, который поглощал влагу, а раствор того же вещества удалял в специальных аппаратах и углекислый газ:
2NaOH + СО3 = Na2CO3 + Н3О.
Вся эта система очистки и осушки воздуха была громоздкой, дорогой и очень неприятной в эксплуатации.
В регенераторах одновременно с охлаждением воздуха, так же как и в трубчатых теплообменниках, происходило высаживание льда на холодной поверхности (сначала воды, а в более Плодной части и СО2). Однако обратный поток кислорода (или азота) после переключения каждый раз испарял (сублимировал) кристаллы, и выносил примеси из регенератора. Поэтому они не накапливались и не проникали в разделительный аппарат.
Таким образом, регенераторы позволили не только усовершенствовать теплообмен, позволяя охладить большое количество воздуха (и нагреть соответственно продукты разделе* "ня - кислород и азот), но и избавиться от специальной его Чистки.
Турбодетандер (второе принципиальное усовершенствов
ние разделения воздуха) был старой мечтой специалист!
[ИЦу[ИЦупо низким температурам. Идея применить турбомащ.
[ИЦу
[ИЦу
для расширения и охлаждения воздуха была предложена у融; давно (Д. Рэлеем, 1898 г.). Поршневой детандер, впервые д0Ве денный в начале нашего века Клодом до уровня надежно ра^0 тающего устройства, не годился для переработки больщИх количеств воздуха. Как и всякая поршневая машина, он б^^ хорош при малой производительности, но делался громоздки^ и неэффективным при большой.
Однако реализовать турбомашину как детандер долго 陈 удавалось. В принципе, она должна была походить по коне〕 рукции на паровую турбину, уже хорошо освоенную в То время. Необходимость обеспечить низкие температуры в рабо- чей зоне и вывести вал для .отвода мощности наружу в теплую зону создавала большие трудности. Только в начале 30-х годов немецкой фирме "Сюрт” удалось по заказу Линде сделать надежно работающий турбодетандер. Однако КПД его был относительно невысок и не превышал 0,52-0,58. Тем не менее это было серьезным достижением.
Фирма Линде, используя обе новинки - регенераторы Френкля и турбодетандер, создала . воздухоразделительные установки ^^Линдe-Фpeнкль^^ для получения газообразного кислорода производительностью до 3600 м3/ч кислорода. В них большая часть воздуха сжималась до низкого давления (0,6 МПа), необходимого для ректификации в колонне. Этот воздух сжимался в турбокомпрессоре, а затем охлаждался и очищался в регенераторах. Необходимое охлаждение происходило в турбодетандере, который работал тоже при начальном давлении 0,6 МПа. Но он все же не обеспечивал всю нужную холодопроизводительность и приходилось часть воздуха (5-6%) сжимать до высокого давления и дросселировать, как в классическом процессе Линде. Л ля этого пришлось сохранить поршневой компрессор и химическую очистку возгуха. Таким образов, получился некий гибрид из нового (низкое давление воздуха, регенераторы, турбокомпрессор, турбодетандер) и старого (высокое давление воздуха, поршневой компрессор, химическая очистка). Но доля воздуха, сжимаемого 口о низкого давления, все же превышала 95%. Эти установки, несомне" но, были большим достижением 30-х годов в этой облает^ техники.
Что касается установок для получения жидких кислорода ^0 азота, то они строились только по классическим схемам рьгсокого давления с громоздкими поршневыми машинами и ^мической очисткой воздуха.
Таким образом, в области получения газообразного кислорода как турбомашины (и компрессор, и детандер), так и теплообменная аппаратура (регенераторы) позволяли использовать более удобное низкое давление воздуха; но полностью 0ытеснить применение воздуха высокого давления еще не иогли. Вот если бы удалось повысить КПД турбодетандера на 15-20% - другое дело! Тогда холода бы хватило, и все громоздкие "портнякн" и химическую очистку воздуха высоко- 「0 давления можно было бы убрать. Да и об установках низкого давления для получения жидкого кислорода можно было бы подумать. Это был бы решающий качественный скачок.
П. Л. Капица начал штурм ^кислородно-криогенной*5 крепости именно с турбодетандера. Он был вторым, после Ж. Клода, творцом поршневого детандера (вспомним, что Капица еще в 1934 г. в Кембридже создал первый гелиевый поршневой детандер), но с турбодетандерами, так же как вообще с турбомашинами, он никогда не имел дела. Именно это (в сочетании, разумеется, с выдающимися способностями и физика, и инженера) ему, по-видимому, и помогло.
За необычайно короткий срок - два года - он с блеском решил задачу, создав новую машину, настолько эффективную, что она обеспечила целую революцию в криогенной технике.
Чем же объясняется резкое повышение КПП турбодетандера (на 15-20%, которых не хватало), достигнутое Капицей? Очевидно, что тут дело было не в частных усовершенствованиях, а в принципиальном изменении.
Чтобы разобраться, в чем здесь дело, посмотрим, как устроен турбодетандер внутри (рис. 8.1), Как и у всякой турбины, в. нем имеется расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, где, расширяясь, поток рабочего тела Разгоняется и приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки рабочего колеса, рабочее тело вращает его, производя работу и отдавая энергию. Скорость при этом снижа- ется. Отработавшее рабочее тело выпускается через патрубок в центре рабочего колеса. Так устроены все турбины -
паровые, газовые и водяные. По характеру движения теку- mero рабочего тела в направляющем аппарате и колесе турби- ны телятся на актиеные и реактивные, В турбодетандере активного типа направляющий аппарат имеет сужающиеся кана- ■лы, в которых газ разгоняется до большой скорости (близкой к скорости звука, т.е. несколько сот метров в секунду) и сни- жает начальное давление рг до значения р^, почти равного конечному р2. Струи газа, попадая на вогнутые короткие лопат- ки Рабочего колеса, меняют направление, оказывая на них давление, и вращают его.
Так个 образом, кинетическая энергия потока преобразует- 丁 в Работу. При этом давление газа падает незначительно, достигая конечного р2, а температура понижается.
По такому принципу работали все прежние гурбодетандеры.
Л. Капица решил перейти на другой принцип и создал реак- ™ВНЫЙ (вернее, активно-реактивный) турбодетандер. В не^ «рас- пре^ление обязанностей» между направляющим аппаратом :рабочим колесом стало совсем другим, близким к тому, кото- °е существует в водяных турбинах. Направляющий аппа-Й * здесь снабжен менее длинными каналами, и в нем срабаты! вается лишь часть интервала давления от р, до р3； значение!
[夕巾 находится примерно посередине. Газ разгоняется до значи- ]^пьно меньшей скорости, чем звуковая; она достигает лишь I рачения, необходимого для плавного, безударного входа в каналы рабочего колеса. Лопатки его сделаны длинными, и газ, проходя в каналах между ними, срабатывает оставшуюся пасть 卩巾-р2 интервала давлений, расширяясь в них. Работа со- Рершается уже не только в результате изменения направления потока газа, но и под действием реакции1 струи, вытекающей 的 межлопаточных каналов.
Вследствие того что скорость воздуха в активно-реактивном турбодетандере значительно ниже, гидрав лические потери в нем намного меньше, чем в активном; эта разница имеет особенно существенное значение, потому что холодный сжатый воздух по плотности ближе к жидкой воде, чем к водяному пару. Именно это обстоятельство толкнуло Капицу обратить внимание на водяную турбину как конструктивный прототип турбодетандера. В конечном счете Капица сформулировал свое ”кре口о" так: ,?...правильно выбранный тип турбодетандера будет как бы компромиссом между водяной и паровой тур- бинойп.
Работа над турбодетандером началась в 1936 г., а уже в 1938 г. в ИФП был создан небольшой опытный турбодетандер, у которого КПД составлял около 0,8! Затем, 5,не переводя дыха- ння”, на базе этого турбодетандера была собрана опытная установка низкого давления воздуха, на которой получался жидкий воздух. Характерно, что все оборудование этой установки (за исключением компрессора) делалось из подручных материалов и изделий в мастерских ИФП. При этом была проявлена в высшей мере эффективная ^солдатская нахоцинвость”. Так, например, механизм переключения регенераторов приводился в движение двумя электромагнитными транспортными тормозами завода ?,Динамо,5. Таким образом, впервые удалось ,ожижить воздух, не сжимая его предварительно до высокого Давления.
Наряду с процессами ожижения Линде и Клода, о которых ^ы уже говорили, появился новый, получивший в дальнейшем Название "процесс Капицы^. Поскольку он в дальнейшем стал
Отсюда и термин реактивный''.
Рис. 8-2. Схема воздухоожижительной установки Капицы:
1 — турбокомпрессор для сжатия воздуха; 2 — регенераторы; 3 — турбодетан- дер; 4 — теплообменник-ожижитель; 5 — дроссель; 6 — отделитель жидкого воздуха
основой новых, процессов получения газообразного кислорода, остановимся на нем несколько подробнее.
На рис. 8.2 показана схема воздухоожижительной установки Капицы (1939 г.). Нетрудно видеть, что отличия этой установки от установки Клода (см. рис. 5.13) связаны как с особенностями схемы, так и с оборудованием - одно обусловило другое. Низкое рабочее давление воздуха 0,6-0,7 МПа дало возможность использовать вместо основного теплообменника регенераторы и турбодетандер вместо поршневого детандера (поршневой компрессор был взят просто потому, что исследовалась модель с малой производительностью; в дальнейшем на более крупных установках устанавливался турбокомпрессор).
В схеме Капицы воздух в детандер отводился из теплообменника на самом низком температурном уровне так, чтобы в конце расширения он начинал конденсироваться и имел ту же температуру, что и пар, возвращающийся из отделителя жидкости. В этом и состоит основное отличие от схемы Клода, где воздух на детандер отбирается в середине теплообменника и возвращается в обратный поток при более высокой температуре, далекой от конденсации.
Расчеты показывают, что чем более высоким выбрано давление сжатого исходного воздуха, тем выше нужно брать температуру воздуха на входе в детандер и тем меньшую долю его
нужно расширять в нем. И напротив, чем ниже давление, тем большую долю воздуха нужно пустить в детандер и тем ниже будет оптимальная температура воздуха на входе в него. П.Л. Капица опустил детандер ”вниз” до предела и тем самым смог понизить рабочее давление воздуха до 0,6-0,7 МПа, со всеми вытекающими из этого положительными последствиями, раньше это было невозможно сделать, так как существующие детандеры не могли эффективно работать при столь низких температурах. Теперь же КПП турбодетандера, несмотря на его малые размеры, не только достиг заветного рубежа 0,8, но и перешел его, причем в наиболее сложных условиях - с окончанием процесса на границе ожижения. Успешный пуск и опытная эксплуатация экспериментальной установки показали, что путь к использованию низкого давления не только в технике ожижения воздуха, но и для его разделения открыт. Это, разумеется, не снимало необходимости решить целый ряд задач как по организации достаточной очистки воздуха и его ректификации, так и других, но в основе проблема была разрешена.
Публикация результатов этих работ в начале 1939 г. произвела подлинную сенсацию и поначалу вызвала некоторое замешательство среди специалистов-криогенщиков. Однако никакой явно выраженной реакции не последовало -как у нас, так и за границей еще изучали и ''переваривали" сенсационную но- вость.
Несмотря на все трудности, работы по ожижению воздуха при использовании низкого давления, а потом и по его разделению для получения кислорода продолжались. Их расширение потребовало подключения промышленных предприятий для изготовления оборудования. П.Л. Капица описал [10] много живописных деталей борьбы с руководителями различных уровней, всеми силами отбивавшихся (Капица писал более живописно -,,отбрь!кивавшихся,-) от дел, которые отвлекали их от выполнения планов. Тем не менее, благодаря отчаянным усилиям, когда приходилось заниматься не только основным делом, но и снабжением, строительством, кадрами и др.? дело продвигалось. Работы шли одновременно в двух направлениях -по получению как жидкого, так и газообразного кислорода.
В июле 1940 г. удалось ^пробить55 решение Экономсовета при СНК СССР, в котором ИФП официально поручалось техническое руководство проектированием и испытанием турбокисло-
родных (ТК) установок на заводе-изготовителе. К началу! 1941 г. в результате испытаний ряда экспериментальных уста.1 новок был накоплен значительный опыт, позволявший пр^.1 ступить к проектированию и изготовлению первых промышленД ных образцов.
Какова же была реакция на эти достижения в ученом и пр。, мышлением мире?
Отечественные специалисты разделились на две партии. Одни поддерживали Капицу и сотрудничали с ним. Другие либо занимали выжидательную позицию, либо ограничивались негативными высказываниями на всякого рода совещаниях (особенно этим отличались те, кого Капица не приглашал к участию в своих работах).
За рубежом реакция на работы Капицы тоже была различной, но носила более явный характер. Наиболее дальновидными и активными оказались некоторые промышленные фирмы США (три) и Швеции (одна), которые предложили заняться производством кислородных установок по его патентам. Однако из-за существовавших тогда условий такое сотрудничество (очень выгодное для СССР) было невозможно.
В Германии, где были уже сложившиеся традиции и налаженное производство кислородных установок, отношение к работам Капицы было другим 一 вежливо-скептическим. В статьях двух ведущих немецких специалистов по низкотемпературной технике 一 Г. Хаузена (главного идеолога фирмы Линде) и П. Грассмана, вышедших в начале 1941 г., отдавалось должное заслугам Капицы, но в части, не относящейся к его работам в низкотемпературной области (Прусский физик, уже известный во всем мире созданием особо сильных магнитных полей"). Однако по поводу двух основных идей Капицы (низкого давления воздуха и нового турбодетандера) и тот и другой предостерегали от ,5излишнего оптимизма,5.
Упоминая о том, что теоретический расход энергии на установках низкого давления воздуха для получения жидкого кислорода должен быть при равных условиях выше примерно 吗 20%, они не принимали в расчет, что для объективного сравнения должны быть равными только внешние условия. Но вс©
остальное: КПД машин, масса металла, исключение специальной очистки воздуха, надежность 一 было в пользу турбомашин И способа низкого давления. При получении газообразного кислорода и теория показывала преимущества низкого давления (при КПД турбодетандера около 0,8).
Г. Хаузен доказывал, что и на активном турбодетандере Линде можно добиться того же. Но, как показал Капица, это было невозможно в принципе. Все попытки "обмануть приро- ПУ“ и добиться этой цели потерпели неудачу как в Германии, так и в СССР. Наши отечественные противники Капицы потратили много сил и государственных средств на это дело.
П.Л. Капица написал ответ на критику Хаузена. Он хотел не только опровергнуть его доводы, но и ^...заткнуть глотку нашим доморощенным злопыхателям, которые всегда рады, не зная подоплеки дела, охаять своего соотечественника,? 1. Пока он собирался опубликовать его, наступило 22 июня 1941 г. ... Ответ остался неопубликованным. Работы над кислородными установками были прекращены, а в конце июля 1941 г. ИФП был эвакуирован в Казань.
Институт переключился на оборонную тематику, переориентировав на нее все свои ресурсы. Оказалось, что и работы по получению кислорода должны занять в ней важное место. Он нужен был для оксиликвитных взрывчатых веществ, медицины и разворачивающихся военных производств. Поэтому все кислородное направление получило поддержку Государственного Комитета Обороны (ГКО), и дела, связанные с ним, пошли намного быстрее.
Уже в начале сентября в Казани начался монтаж опытных установок для получадия жидкого воздуха, а затем и кислорода, эвакуированных вместе с другим имуществом института. Возобновилась и работа на заводе в Москве. Жизнь требовала перехода к установкам промышленного масштаба, поэтому стали вести подготовку к выпуску двух установок, называвшихся в переписке "объектом № Iй и ^объектом № 2".
В 1942 г. первый экземпляр ^объекта № 1" - турбокомпреСв сорной установки типа ТК-200 производительностью до 200 кг/q жидкого кислорода был изготовлен и в начале 1943 г. благополучно пущен. Интересно, что запускать ее на длительный срок не было возможности, так как жидкий кислород в таком коли* честве , некуда было сливать. Одновременно в 1942 г, началось проектирование 5,объекта № 2” - установки типа ТК-2000, в 10 раз большей производительности. Несмотря на явные успехи в упорной ^^киcлopoдаoй^^ деятельности Капицы и его сотрудников при определенной поддержке "сверху”，дела шли недопустимо медленно. П,Л. Капица писал Молотову: м...дальше при такой организации внедрения успеха добиться трудно. Все это время я был погонщиком мулов, а в руке у меня не было не только палки, но даже хворостины. Поэтому полагаю, что в той или иной форме мне нужно дать официальную власть, чтобы я сам мог руководить вопросами внедрения в производство. И тогда, несмотря на то, что мне на это время придется сократить мою научную работу, у меня будет взамен удовлет^ ворение видеть наши установки внедренными55.
В конце концов эта идея была принята, и в середине 1943 г. был создан Главкислород, непосредственно подчиненный СНК СССР, а П. Капица назначен начальником этой организации. При ней был образован Научно-технический совет, в задачи которого входило изучение перспективных областей применения кислорода в народном хозяйстве и выработка соответствующих рекомендаций. В 1944 г. начал выходить новый журнал "Кнслорсш'', а в одном из вузов Москвы началась подготовка специалистов - инженеров для работы с новыми кислородными и другими криогенными установками. Развернулось широкое ^наступление по всему фронту5*. Несмотря на трудности, было выпущено несколько установок типа ТК-200, которые снабжали кислородом оборонные предприятия в Нижнем Тагиле, Ленинграде и других городах. Наконец в 1944 г. была пущена самая мощная в мире установка по производству жидкого кислорода типа ТК-2000 (объект № 2). Она стала давать в 2 раза больше кислорода, чем все заводы Москвы (1/6 его про-
изводства в СССР). Внешне все шло блестяще. Незадолго до Дня Победы, 30 апреля 1945 г., П.Л. Капице было присвоено звание Героя Социалистического Труда и награждена большая группа его сотрудников. П.Л. Капица был полон надежд на новые успешные дела; он написал: ^Заключительный аккорд Балашихинской симфонии прекрасен. Давайте следующую, Тульскую симфонию1 проведем в темпе presto vivo”.
Этим надеждам, как и другим планам внедрения кислорода и модернизации промышленности, а также организации научной работы в стране в то время не суждено было осуществиться. Они вступали в явное противоречие с системой, установленной в стране Сталиным и его окружением. П.Л. Капица хотел слишком многого и в верхнем эшелоне власти (не без помощи 5,доморощенных злопыхателейм) все больше зрела мысль, что пора его остановить.
Это было вполне логично. Все академики сидят тихо и работают, выполняя начальственные предписания, а этот все время шумит, лезет в государственные дела с непрошенными советами, пишет письма "на самый верх,,.<. Лали ему даже главк, подчиненный прямо Совету Министров, а он все недоволен...
Кроме общего усложнения ситуации, связанной с необходимостью послевоенного устранения идеологической 5,крамолы*\ существенную роль в судьбе Капицы сыграло его противостояние Берии, который был назначен председателем Особого комитета и Технического совета по атомной бомбе. П.Л. Капица, входивший в этот комитет, понимал, как и большинство других его членов, что абсолютно некомпетентный Берия ведет дело далеко не оптимальным образом и мешает физикам и инженерам, затягивает работу , что требует лишних расходов.
П.Л. Капица открыто восстал против Берии. Он написал письмо Сталину с подробным изложением ситуации, предложениями, как ее исправить, и попросил освободить его от работы в Комитете, считая ее в сложившихся условиях бесполезной. Его руководителя он сравнил с неграмотным дирижером. "У тов. Берия основная слабость в том, что дирижер должен не только махать палочкой, но и понимать партитуру. С этим У Берии слабо”. Кончалось письмо припиской: MP.S. Мне хотелось
1 Они были отмечены награждением большой группы сотрудников '%а успешную работу по разработке и внедрению нового метода получения жидкого воздуха и жидкого кислорода**. П.Л. Капица был награжден орденом Ленина.
бы, чтобы тов. Берия познакомился с этим письмом» ведь это не донос, а полезная критика. Я сам бы ему все это сказал, да увидеться с ним очень хлопотноъ.
П.Л. Капица был, пожалуй, единственным человеком в стра. не, который осмелился открыто так отозваться о Берии. Безнаказанно ему это пройти не могло. Но Сталин, опасаясь, по- видимому, реакции за рубежом (особенно в Англии), велел Бе. рии не арестовывать Капицу; что касается всего остального, относящегося к его работе, то тут запрет уже отменялся. Это было сформулировано Сталиным так: ”Я тебе его сниму, но ты его не трогай?, [11]. Берия приступил к делу.
Отдельные нападки на Капицу в виде различных доносов как общего, так и ,5научного,5 характера поступали в различные инстанции и раньше, но с весны 1946 г. началось 5,гене- ральное наступление”. Все делалось в быстром темпе, поскольку итог был предрешен заранее.
В апреле 1946 г. вышло Постановление Совета Министров СССР "О создании правительственной комиссии”, которая должна была заниматься делами Главкислорода и Капицы. Ее состав комплектовался, естественно, в секрете от него.
Просьба П.Л. Капицы от 20.05.1946 г. о включении в состав экспертной комиссии трех ведущих специалистов - М.П. Малкова, А.И. Мороза и И.П. Ишкина, "присутствие которых содействовало бы объективному выяснению существа вопросаJ\ была оставлена без внимания, и уже 29.05.1946 г. заключение экспертной комиссии было готово и подписано.
Естественно, это заключение было полностью негативным, без полутонов. Не вдаваясь в научный анализ этого документа (он должен быть темой специальной работы для историков науки и техники), остановимся лишь на нескольких моментах, Показывающих, как и из чего он изготавливался.
Предварительно нужно отметить, что два члена комиссии не согласились с его содержанием и выводами; каждый из них представил свое особое мнение. Это были акад. И.П. Бардин и доц. Д.Л. Глизманенко. Такой поступок был в то время очень рискованным и требовал большого мужества, особенно от Глизманенко, поскольку Бардин был в некоторой (правда, не такой уж большой) степени защищен своей мировой известностью.
В ответе на заключение комиссии Капица указал, не говоря уже о научных ошибках, на ряд прямых подтасовок. Рассмат- 286
ривая, например, сравнение показателей установки фирм "Ге说лан口т” и своей, он выразил удивление 5,как могла экспертная комиссия оперировать этими данными в официальном заключении, заведомо зная, что этих данных просто не сущест- вует”・ Далее он показал простым расчетом, что "в собственных исходных материалах экспертной комиссии имеются фактические данные, которые опровергают принятые ею же показа- талн"・
Далее Капица отмечает некорректность сопоставления различных вариантов техники, испытываемых в неидентичных условиях. Этот фокус часто используется при недобросовестных испытаниях (например, при сравнении двух тракторов - один ставят на тяжелую почву, а другой - на легкую). Именно такой способ чравнения был использован комиссией при оценке кислородной установки типа ТК-2000 (у нее был случайный компрессор, предназначенный для работы при других давлениях).
В заключительной части ответа Капица указал на совершенно классический "финт” ученых экспертов. Стараясь доказать, что т]грбодетандер фирмы Линде не намного хуже аналогичной машины Капицы, они по данным, полученным немцами при работе на азоте, рассчитали показатели по диаграмме для воздуха (а это совсем не то). В результате такого нехитрого фокуса (Капица деликатно назвал его ,,ошибкой,)) удалось ,5до- тянутьм КПД немецкой машины до 0,75 вместо действительного значения 0,6-0,66. Это все равно хуже, чем у турбодетан- Дера Капицы (0,8-0,82), но все же!
Здесь Капица уже не выдержал официального тона и перешел на 5,открытый текст": "Если такие принципиальные ошибки делает студент, его прогоняют за безграмотность. Но если это делают эксперты Правительственной комиссии, по-видимо- му с желанием получить высший показатель, не имея для этого фактического материала, то я не знаю, как надо оценить их поступокп.
П.Л. Капица, конечно, знал, как надо оценить и этот посту- Пок5 и все другие, но право делать выводы принадлежало не ему. И выводы, несмотря ни на что, были сделаны. П.Л. Капица Постановлением Совета Министров СССР, подписанным Н.В, Сталиным, был снят не только с поста начальника Глав- Кислорода, но и директора ИФП с мотивировкой: "За невыполнение решений Правительства о развитии кислородной промышленности в СССР, неиспользование существующей передо^
вой техники в области кислорода за границей, а также неиа пользование предложений советских специалистови.
АН СССР тоже показала, на что она способна: ”…президиум Академии наук СССР считает, что проводившиеся в течение ряда лет институтом работы, под руководством акад. П.Л. Ка. пицы, по созданию кислородных установок низкого давления не дали положительных результатов - продукт получался неудовлетворительной чистоты, коэффициент полезного действия установок был мал, не был использован опыт заграничной техники в области кислорода
Так был надолго выведен из числа действующих один из крупнейших физиков, инженеров и организаторов науки.
П.Л. Капица, оказавшись не у дел и перенеся сильную травму, долго не мог освоиться со своим новым положением. Не работать он не мог - это для него значило не жить. Он не мог как прирожденный экспериментатор wnepеключиться5, на чисто теоретические исследования. Однако спустя несколько месяцев он организовал у себя на даче небольшую лабораторию - ,5избу физических проблем” и занялся в пределах возможного экспериментами в области гидродинамики и обработкой материалов прежних своих работ. Это, разумеется, было совсем не то: "изба” - не институт.
Но и здесь Капица получал новые удары. Особенно трудными были 1949 и 1950 гг. В июне 1949 г. его выселили из квартиры, которую семья занимала 13 лет; в январе 1950 г. он был освобожден от работы на физико-техническом факультете МГУ, где был заведующим кафедрой, "за отсутствием педагогической нагрузки,5. В действительности поводом для этого решения послужило то, что Капица не явился на торжественные заседания, посвященные 70-летию Сталина, ни в АН СССР, ни в университет. Несмотря на опалу, он ”口。чину5* должен был на них присутствовать. Ректор МГУ проф. С.А. Христианович в письме на имя Капицы писал так:5,...Согласитесь, что нельзя доверять воспитание научной молодежи лицу, которое демонстративно противопоставляет себя всему нашему народу55.
П.Л. Капица понимал, что не он один был в таком положении -со многими было еще хуже, но это не могло его успокоить -скорее наоборот. Он переживал не только свои дела, но и вообще судьбу науки в стране.
Наконец, во второй половине 1953 п, когда Сталина уж® не было, началась реабилитация Капицы. 28 августа "изба физи- 288 :
цеских проблем,! получила официальный статус и стала именоваться ^Физическая лаборатория АН СССР”； ее руководитель был назначен заведующим этой лаборатории. 15 декабря 1954 г. он был принят Н.С. Хрущевым, а 28 января 1955 г. вновь назначен на прежнее место - директором ИФП. Политическая и научная опала П.Л. Капицы, длившаяся семь лет, закончилась.
^Кислородными делами*5 и криогеникой Капица больше специально не занимался; он переключился на новую область - электронику больших мощностей.
Что же произошло в области получения и использования кислорода за все это время? Кто в конечном счете оказался прав - Капица или его оппоненты и противники?
Первое время отечественные хулители Капицы торжествовали победу. Испытания его опытных установок были свернуты, а производство серийных прекращено. Был продолжен выпуск старых, сделанных по немецким образцам мелких установок высокого давления, и начато проектирование новых, малых установок для получения газообразного кислорода тоже высокого давления и более крупных систем двух давлений воздуха.
"Тульская симфония55, о которой мечтал Капица, была сыграна, но по старым немецким нотам - из Германии была привезена и смонтирована старая трофейная установка Линде-Френкля. Для получения жидкого кислорода стали копировать немецкие установки Гейландта высокого давления воздуха. Правда, учитывая требования поднятой Сталиным псевдопатриотической кампании борьбы против э,космополи- тизма?, и иностранщины, все названия этих установок были заменены на условные обозначения (установка Линде-Френкля, например, называлась ”КТ・3600”).
Спокойная жизнь, однако, продолжалась недолго. Сведения о том, что в США и Франции полным ходом с конца 40-х годов идут работы по созданию установок низкого давления для получения газообразного кислорода, вызывали все большее замешательство и противоречия среди противников Капицы. Все попытки сделать другой, ^не капицынский,? активный турбодетандер с высоким КПП окончились неудачей. Стало также известно, что вслед за американцами правильность идей Капицы признали и немцы. Фирма Линде с большим почетом отправила на пенсию Г. Хаузена. Отметив его заслуги (которые в свое время были действительно большими), она сменила лидеров и отказалась от систем двух давлений, перейдя на низкое давление воздуха и турбодетандеры Капицы.
Под прикрытием различных всевдотеоретических рассуж. дений (один профессор даже утверждал, что установки Линде-. Френкля ^являются, конечно, установками низкого давления55) был сделан крутой поворот к проектированию крупных установок для получения газообразного кислорода низкого давления с турбодетандерами Капицы. Его фамилия при этом, естественно, не упоминалась, а отличия в схеме и конструкциях, имевшие второстепенный характер и не менявшие основную идею, выдавались за принципиально новые.
Таким образом удалось избежать ответственности за вынужденное отставание; из лидера Советский Союз попал в положе- ние догоняющего. Была с опозданием сыграна и ^Тульская сим- фония,?, о которой мечтал Капица. Постепенно были отодвинуты в тень и фигуры, сыгравшие ведущую роль в травле Капицы. Наконец в 1956 г., когда советские кислородные установки низкого давления оправдали себя в работе, Капица получил из ВНИИКИМаш^ просьбу на согласие включить его в коллектив соискателей Ленинской премии за работу "Создание и освоение комплексного оборудования для широкого внедрения тех， нического кислорода в промышленностим. Отвечая на это письмо, Капица отметил, что это 5,лестное предло來енне” дает пеще одно веское доказательство прогрессивности направлениям его прежней деятельности. "Наши идеи и научные результаты, -писал он, - сперва были широко использованы на практике за границей, и таким путем им удалось обогнать нас. Теперь надо опять завоевывать лидерство”.
Пожелав коллективу успехов и выразив благодарность и надежду когда-нибудь в будущем "поработать в поисках новых возможностей в решении кислородной проблемы*5, он все же отказался от этого предложения.
5,К исл сродная эпопея55 акад. П.Л. Капицы (и все связанное с ней) очень поучительна. В ней необычайнр четко сконцентрированы события, в частности, иллюстрирующие взаимодействие экономики и научно-технического прогресса с государственной политикой.
Ф. Энгельс в письме К. Марксу от 27.10.1890 г. писал по этому поводу: "Обратное действие государственной власти на эконо-
1 Всесоюзный научно-исследовательский институт кислородного машиностроения (организован Капицей в 1945 г.).
^ическое развитие может быть троякого рода. Оно может действовать в том же направлении - тогда дело идет быстрее; оно может действовать против экономического развития - тогда у каждого крупного народа она терпит крах после известного промежутка времени; или она может ставить экономическому развитию в определенных направлениях преграды и толкать вперед в других направлениях.» Но ясно, что во втором и третьем случаях политическая власть может причинить эконо- мическому развитию величайший вред и породить растрату сил и материала в массовом количестве^ Более актуальное высказывание, характеризующее ситуацию, едва ли можно найти. С Капицей (и не только с ним) несомненно был ^второй слу- чайп в чистом виде.
В заключение раздела о 5,кислородных делах55 необходимо коснуться еще одного вопроса - в каком состоянии находятся они сейчас, через несколько десятилетий после описанных событий?
Нужно сразу сказать, что прогнозы Капицы (и еще более ранние Л^рсонваля) в основном оправдались. Кислород газообразный и жидкий (так же как и другие продукты разделения воздуха) производится во всем мире в огромных количествах; так, в 1990 г. его выработка составила 146 млнт (в том числе в СССР - 26 млн т). Единичная производительность установок достигает 70 000 мэ/ч кислорода. В подавляющем большинстве это делается на основе турбодетандеров Капицы и циклов низкого давления. Тур б о детандер ы Капицы нашли применение и для охлаждения водорода, гелия и природного газа; интервал давлений, в которых они могут работать, тоже вырос - есть машины среднего и даже высокого давления; КПД некоторых из них превышает 90%.
Конечно, за это время многие частные решения, найденные Капицей и его сотрудниками, уступили место новым или были изменены (адсорбционная очистка и осушка больших масс воздуха, новые эффективные теплообменные и ректификаци-^ онные аппараты, тепловая изоляция, насосы и трубопроводы ожиженных газов и дрв). Однако основа осталась незыблемой.
Кислород, как газообразный, так и жидкий, используется дЛя интенсификации технологических процессов в металлургии нефтяной промышленности, химии, биологической и других отраслях промышленности, в авиации, космонавтике, меди^ цине, транспорте и т.п.
В большинстве развитых стран основная часть кислорода производится централизованно, на крупных установках и по трубопроводам передается потребителям на десятки и сотни километров. Часть кислорода хранится (и транспортируется) в жидком виде. Такие изолированные хранилища с голубой жидкостью описал в известном научно-фантастическом романе ^Продавец воздуха" А. Беляев [15]. Теперь они стали реальностью.
Чеховский персонаж, не соглашавшийся с утверждением, что "без кислорода жить невозможно\ был явно неправ.
Чтобы подробно перечислить все области его применения - нужна целая глава, а для описания этих применений - не одна книга. Но это уже другая тема; теперь же нужно вернуться к общей криогенике.]
82 ОТ ”МАКРО”- К ”МИКРО"КРИО「ЕННОЙ ТЕХНИКЕ»
С расширением круга потребителей криогенной техники возникла тенденция к ее специализации. В наибольшей степени она сказалась на развитии криорефрижераторов. Разным потребителям требовались не только разные температуры - от ультранизких до менее низких, лежащих на границе с температурой, используемой в холодильной технике. Необходимы были и разные холодопроизводительности и размеры установок. Каждому заказчику нужно было свое. Медики, например, требовали создать инструмент в виде теплого гибкого шланга с холодным наконечником, который смог бы проникнуть в пищевод пациента и* заморозить, например, опухоль в желудке，
Инженеры, работающие над космическими объектами, делали получить криогенные установки, работающие несколько лет без обслуживания на каком-нибудь летающем телескопе; если же они предназначены для корабля, все равно "с ними возиться некому, космонавтам и так хватает 口ела”. Электронщикам нужно было криостатировать свои приборы, но так, чтобы в рефрижераторе ничего не тряслось, не вибрировало и не булькало, а запускался бы он за одну минуту...
Наряду с такими ^микро^требованиями появились и "макро”- заказы - обеспечить, например, за короткое время сотни тонн жидкого кислорода или водорода для заправки двигателей ракет или ожижить огромные потоки природного газа для заливки в танки судов, перевозящих сжиженный газ, либо в хранилища для последующей газификации в нужное время.
Эти и многие другие требования постоянно сопровождались (и сопровождаются теперь) еще двумя условиями - чтобы все было недорого и расход энергии был минимальным1.
О том, как решаются задачи с 5,макрокриогеникой,\ уже рассказывалось как в предыдущих главах, так и в § 8.1 гл. 8. Крупные системы на турбомашинах и другом оборудовании, в частности теплообменном, специально приспособленном для больших расходов, дают возможность наращивать мощности до любых нужных значений; хранилища ожиженных газов тоже могут быть доведены до требуемой вместимости. Что касается миниатюризации, необходимой для создания микрокриоген- ных установок, то при этом понадобились качественно новые, во многом оригинальные решения. Одни из них основывались на процессах, вообще не применявшихся ни в криогенике, ни в других областях техники, другие - на хорошо известных процессах, но в совершенно новых модификациях. Это направление криогеники оказалось более подвижным и восприимчивым к новым идеям, потому что их экспериментальная проверка и доводка, как говорят, "до ума" может быть проведена быстрее и с меньшими затратами, чем те#же операции в макрокриогенике, где нужды годы и миллионные затраты.
Наиболее интересными и плодотворными в микрокриогенике оказались два направления: обратные циклы Стирлинга
и дроссельные системы на смесях. Каждое из них привело к созданию целого ряда криорефрижераторов малой мощности.
Первое из них имеет длинную историю и может служить классическим примером возрождения и трансформации на н» вой основе идей, опередивших свое время и поэтому не реали. эованных.
Роберт Стирлинг (1790-1878 гг.) - шотландский пастор, док. тор богословия, вошел в историю не как выдающийся дея. тель церкви, а как изобретатель и инженер. Газета э,Таймси в некрологе, посвященном его памяти, с некоторым сожалением отмечала, что он не оставил "ни одного богословского про из ведения ".
Работая в свободное от основных обязанностей время вместе со своим братом над тепловыми машинами, он изобрел но・ * вый двигатель, названный впоследствии его именем.
В 1816 г. он получил патент (№ 4081) на машину, которая ^производит движущую силу посредством нагретого воздуха^, а в 1827 и 1840 гг. - еще два (№ 5456 и 8652) на усовершенствованные ее варианты. В 1845 г. на литейном заводе в Данди была пущена машина Стирлинга мощностью 50 л.с. (36,7 кВт), проработавшая больше трех лет.
Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились, а его работы были почти полностью забыты. Только в 1938 г. началось "возрождение” двигателей Стирлинга, и сейчас над ними работают во всем мире.
Все это очень интересно как для истории, так и для определения тенденций современного развития тепловых двигателей. Но какая здесь связь с криогенной техникой, где все наоборот? Оказывается, как ни странно, что самая непосредственная.
Нельзя и тут не вспомнить А.С. Пушкина: ,5...лед и пламень не столь различны м©к собой,.?5
Чтобы увидеть, как проявляется эта связь в данном случае, необходимо разобраться в том, как работает двигатель Стир- линга. Прежде всего нужно отметить, что он пр инцип и ально отличается от паровой машины двумя особенностями. Во-первых, он работает не на воде и водяном паре, а на воздухе; другими словами, этот двш'атель газовый (в том смысле, что агрегатное состояние его рабочего тела не меняется - нет ни испарения, ни конденсации). Во-вторых, все процессы изменения параметров рабочего тела проходят полностью в цилиндре
Рис. &3. Принцип действия двигателя Стирлинга:а - конструктивная схема двигателя; 6 — положения поршня в разных фазах процесса; в — процесс на диаграмме р, vРис. &3. Принцип действия двигателя Стирлинга:а - конструктивная схема двигателя; 6 — положения поршня в разных фазах процесса; в — процесс на диаграмме р, vи вытеснителяи вытеснителя
Рис. &3. Принцип действия двигателя Стирлинга:
а - конструктивная схема двигателя; 6 — положения поршня в разных фазах процесса; в — процесс на диаграмме р, v
Рис. &3. Принцип действия двигателя Стирлинга:
а - конструктивная схема двигателя; 6 — положения поршня в разных фазах процесса; в — процесс на диаграмме р, v
и вытеснителя
и вытеснителя
машины; ноздух из него не выпускается и в него не впускает- ся; поэтому никаких распределительных устройств, вроде клапанов или золотника, в нем нет.
Нарис. 8.3, а показан схематически разрез даигателя, на рис.8.3,б- положение рабочих органов в четырех исследовательских положениях. Цилиндр 1 двигателя имеет головку 2, которая постоянно поддер ж ивается в горячем состоянии, так как омывается снаружи продуктами сгорания топлива. В нижней части цилиндра, охлаждаемой водой или воздухом, помещен рабочий поршень 3, связанный с коленчатым валом 4. Через отверстие в поршне пропущен шток 5, на конце которого закреплен так называемый вытеснитель 6 (элемент, который определяет основные особенности двигателя Стирлинга). Он представляет собой тоже поршень, который может перемещаться в цилиндре с небольшим радиальным зазором. Управление его движением осуществляется от того же вала 4.
Проследим работу двигателя. В фазе I и поршень, и вытес! ■ нитель расположены каждый в своей верхней мертвой точке. Воздух находится в промежутке между ними и имеет темпера， туру, близкую к 厶 с，так как соприкасается со стенками холод, ной части цилиндра. Затем вытеснитель перемещается вниз, придвигаясь вплотную к рабочему поршню (фаза 〃)・ Воздух при этом переходит по кольцевому зазору между вытеснителем и цилиндром в горячую головку цилиндра, где нагревается. При этом его давление возрастает, он давит на поршень и, расширяясь, смещает его вниз, производя работу, передающуюся на вал машины. Вытеснитель посредством штока тоже сдвигается вниз вслед за поршнем; оба оказываются в самом нижнем положении (фаза "!)• Далее вытеснитель перемещается снова в самое верхнее положение (фаза IV). При этом расширившийся воздух переталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром снова в нижнюю холодную часть цилинд. ра. При понижении температуры воздуха его давление падает, и поршень снова вдвигается в цилиндр до верхнего положения, соответствующего фазе /; на этом цикл завершается, и все повторяется сначала.
Таким образом, блестящая идея Стирлинга сводилась к тому, чтобы периодически с помощью придуманного им простого устройства - вытеснителя переталкивать газ из холодной зоны цилиндра в теплую и обратно. Остальное совершалось автоматически: при нагревании давление газа повышалось, и он давил на поршень, производя работу, а при охлаждении - понижалось, и поршень вдвигался обратно. Работа определялась разностью между той работой, которая отдавалась на вал при расширении горячего воздуха (движение поршня вниз), и той, которая затрачивалась при сжатии холодного (движение поршня вверх). На передвижение вытеснителя работа почти не тратилась, так как он двигался почти без сопротивления (воздух легко проходил через зазор между ним и цилиндром, поэтому давления над ним и под ним мало различались).
На рис. 8.3, в помещена диаграмма, показывающая, как изменяется объем у*и давление р газа (воздуха) при работе машины. Процессы переталкивания (，Т и /П-/У) проходят при неиз- -менных объемах (изохорно), а расширение при высокой температуре Тг (П-Ш) и сжатие при низкой TQ C (，~切-при неизменных температурах 厶 и 7^ с. Площади на диаграмме соответственно равны: allUIb - работе 工卜如 отдаваемой поршнем, biVia - рабо
те Ljy_D затрачиваемой на его возвращение, а их разность (площадка IIIIIIIV) Ljj_m - Arvr 一 полезной работе машины.
В связи с изобретением вытеснителя Стирлинг впервые ввел в технику и другое устройство, которое затем "оторвалось” от машины Стирлинга и 5,зажило самостоятельной жизнью^, проникнув во многие отрасли техники. Более того, люди забыли не только о том, откуда оно появилось, но и фамилию того, кто его изобрел. Этим устройством является тепловой регенератор (или регенератор тепла). Началось с того, что Стирлинг заметил: при работе его двигателя воздух, проходя через кольцевой зазор между вытеснителем и цилиндром из холодной зоны в горячую и обратно, в первом случае несколько нагревался, а во втором - охлаждался. Причина этого была очевидна: горячий воздух, проходя в зазор, нагревал как стенку цилиндра, так и вытеснитель, а сам охлаждался; холодный воздух, напротив, встречаясь с горячими стенками, нагревался, охлаждая их, и т.д.
Оба эти процесса были очень полезны. Действительно, если бы холодный воздух без этого подогрева сразу попадал в горячую зону, то пришлось бы дополнительно затрачивать тепло для его нагрева в процессе I-IL Соответственно пришлось бы понижать температуру горячего воздуха в процессе Ш-W за счет внешнего охладителя. Регенеративный теплообмен в зазоре между вытеснителем и стенкой цилиндра позволяет проводить процесс нагрева /-П за счет охлаждения в процессе Ш-IV. Чтобы этот процесс теплообмена шел по возможности полнее, Стирлинг обмотал цилиндрическую поверхность вытеснителя проволокой, которая омывалась воздухом и служила дополнительной массой, аккумулирующей тепло, как впоследствии насадка в регенераторах Френкля. В дальнейшем тепловой регенератор 7 был вынесен за пределы цилиндра, как показано на рис. 8.3, а, и соединен трубками 8 с горячей и холодной полостями. Такая конструкция позволяла как облегчить вытеснитель, так и сделать регенератор нужного размера. Вытеснитель при этом двигался в цилиндре с минимальным зазором и прогонял вбздух из одной полости в другую через кольцевой регенератор. Машина-двигатель Стирлинга превзошла по КПД лучшие паровые машины того времени. Но... верхняя горячая часть цилиндра быстро прогорала, и машина выходила из строя. Паровые машины, более приспособленные к технологии того времени, постепенно совершенствовались, затем
появились двигатели внутреннего сгорания... К началу нашего века и сам Стирлинг, и его машина были совершенно забыты, О них не вспоминали даже историки теплотехники.
Возрождение интереса к работам Стирлинга связано со вре- менем второй мировой войны. В Голландии, как и во всей Центральной Европе, оккупированной немцами, ощущался острейший недостаток жидкого топлива. В частности, его не хватало для армейских ,?движковп - маленьких двигателей, предназначенных для электрогенераторов передвижных радиостанций. Инженеры фирмы "Филипс”, выпускавшей это оборудование, нашли выход, вспомнив о двигателе Стирлинга. Действительно, головку этой машины можно обогревать, используя любое низкосортное топливо; такие двигатели, снабженные самой простой топкой, но сделанные на уровне вполне современной технологии, исправно работали (в дальнейшем они послужили базовой моделью для более мощных и совершенных ,,стирлингов,5)* У фирмы возникла необходимость в небольших установках для производства жидкого азота. Инженеры фирмы не стали использовать традиционные установки Линде и Клода, а пошли своим собственным, оригинальным путем. Они решили пустить машину Стирлинга "наоборот”，чтобы, превратив в криогенную и используя только ее, сразу получить низкую температуру, необходимую для ожижения воздуха.
Идея "обращения” машины Стирлинга оказалась на редкость удачной и дала блестящий результат. Это и естественно: обе машины Стирлинга - двигатель и вновь созданная криогенная -очень похожи. Они соотносятся между собой, как поршневые компрессор и детандер.
Начнем рассмотрение процессов с фазы ТУ (рис. 8.4, б). Сжатый газ находится в головке цилиндра, а поршень - в верх- ней мертвой точке. Затем при движении их вниз до фазы / газ расширяется, отдавая работу и охлаждаясь. После этого вытеснитель, переходя вверх, переталкивает газ в нижнюю, теплую полость. При этом в процессе П-Ш газ сжимается, и тепло, выделяющееся при этом, отводится в окружающую среду. После этого вытеснитель смещается вниз, возвращая сжатый газ в холодную полость (фаза IV), Затем снова происходит расширение с отдачей внешней работы (процесс IV -1), при котором газ охлаждается, и т.д. Другими словами, можно сказать, что машина работает как компрессор, когда газ находится в нижней полости, и как детандер, когда он перемещен 298 ]
мкйпоч^
Рис. 8.4. Работа машины Стирлинга в криогенном варианте (обратный цикл， Стирлинга)
в холодную полость. Поршень выполняет роль компрессорное го, когда движется вверх, и детандерного, когда движется вниз. Клапанов, которые регулируют в обеих машинах впуск и выпуск газа, здесь нет. Зато есть ,,диспетчерэ, - вытеснитель, | который в нужные моменты перегоняет газ из теплой полости в холодную и обратно.
На рис. 8.4, а показаны, так же как и на рис. 8.3, б, четыре фазы работы машины Стирлинга в криогенном варианте. Диаграмма р・，^процесса, показанная на рис. 8.4,6, та же, что и у двигателя, лишь направление процессов противоположное (не по часовой стрелке, а против нее). Тепловые потоки тоже направлены в противоположную сторону.
Уже первые образцы криогенных мапзин Стирлинга показали высокую эффективность: их КЩТ достигал 35-40%, что является хорошим показателем для машин такого класса. Разумеется, пришлось преодолеть многие трудности 一 с приводом поршня и вытеснителя, тепловой изоляцией, герметичностью, смазкой и т.п. Воздух в качестве рабочего тела При низких температурах уже не годился - он был заменен гелием. Выпущенные на рынок, они долгое время шли под Названием "машин Филип1ca^^, но затем аналогичные машины стали изготовляться и в других странах мира; тогда имя Стирлинга было им возвращено. Особое распространение Получили миниатюрные машины Стирлинга, предназначенные для криостатирования различных электронных прибо-
•299
I 〃Рис. 8.5. Схема термокомпрессора.
Тл % ров. С таких машин холодопроизводи- тельностью д0 долей ватта, которые 吻7 刃力Iмогли устанавливаться на самолетах,
^^^^^^космических станциях и спутниках, и
I ^^ ^^началась, собственно, микрокриоген-
^о.с ^^[^^Jная техника. Разрабатывались все но-
^^вые их модификации: многоступенча-
jj^fp грТт! Р$ тме, позволяющие получать низкие ；—П一II―г6 —температуры вплоть до гелиевых; кон-
Р* струкции с клапанами, позволяющими - отделить вытеснитель от рабочего “поршня и разместить их далеко один
от другого, связав только трубками;
с мембраной вместо поршня; с регенератором внутри вытеснителя, и даже вообще без вытеснителя, где его роль играл столб газа, и др.
Пошло даже до того, что были созданы установки вообще без механического компрессора, замененного тепловымЩ Такой тепловой компрессор, который тоже, по существу, раН ботает на ,,вытеснительнойм идее Стирлинга, может, как ехо— дить в криогенную машину, так и монтироваться отдельноИ Схема его показана на рис. 8.5. Он представляет собой циЯ линдр с клапанами, в котором находится вытеснитель с регенератором внутри. Один конец цилиндра нагревается, другой охлаждается. Если вытеснитель находится в теплой зоне, весь газ сквозь регенератор проходит в холодную зону, его давление падает, и в цилиндр через впускной клапан всасывается газ. Затем он переталкивается вытеснителем в теплую зону, где нагревается. Давление при этом растет, и сжатый газ через выпускной клапан поступает к потребителю.
Р. Стирлинг еще в 70-е годы прошлого века предсказывал широкое распространение своих машин в будущем, но он, разумеется, не мог предположить, что вслед за двигателем появится и столь ^многодетная семья” низкотемпературных машин Стирлинга.
История с изобретением Стирлинга - классический пример возрождения через многие годы и расцвета старой, почти забытой, но глубокой идеи на новом уровне технологии и потребностей общества.Ц
300I
I - компрессор; 2 — холодильник; 3 — криоблок;
4 — коммуникации; 5—баллрн со сжатом газом
При всех достоинствах криогенных машин Стирлинга они не могли решить всех задач, возникающих у потребителей. Нужны были и другие микрокриогенные устройства, более простые (и следовательно, более надежные), исключающие вибрации в холодной части и, в идеале, не имеющие вообще движущихся частей. В этой связи возникла мысль, тоже основанная на возвращении к старому, казалось бы, уже почти оставленному методу. Таким, достойным возрождения на новом уровне, оказался дроссельный цикл Линде. Несмотря на то что для него требовалось высокое давление рабочего тела, подкупала простота: в холодной части нужны только дроссель и теплообменник (рис. 8.6). Нужен был и компрессор высокого давления для сжатия газа. Однако компрессор мог быть помещен на достаточно большом расстоянии от криоблока (иросселя и теплообменника), так как их соединяли две теплые трубки (рис. 8.6, а). Кроме этого, один компресрор мог обслуживать несколько криоблоков, что создавало большие Удобства для устройства, где низкие температуры нужно поддерживать в нескольких точках (рис. 8.6, б). Наконец, во мно-
гих случаях можно было и вообще обойтись без компрессора, а использовать баллон со сжатым газом (рис. 8.6, в). Такие рас. годные системы могут работать при малой мощности часами^ после чего баллон заменяется на новый. Часто бывает нужно включать установку один или несколько раз в сутки или (во многих космических объектах) еще реже. В этом случае один баллон может служить довольно долго.
По всем этим причинам дроссельные микросистемы крно. статирования получили, наряду с криорефрижераторами Стирлинга, довольно широкое распространение. Рабочим те. лом в них служили азот, аргон, метан; они обеспечивали полу, чение температур в интервале от 78 до 120 К. Однако при всех их достоинствах КПД дроссельных систем был ниже, чем у ,,стирлинговых,1 в 2-4 раза, а расход энергии при тех же уело-； виях соответственно во столько же раз выше.
* Четвертый (и последний) научный комментарий. Нельзя ли найти путь существенного повышения КПД дроссельных систем? Это считалось в принципе невозможным без использования дополнительного охлаждения (как это сделал Линде) или детандера (как сделал Клод)1. Без этого разность температур на холодаом конце теплообменника неизбежно должна быть больше, чем на его теплом конце.
Если расхождение температур на холодаом конце теплообменника неизбежно следует из свойств рабочего тела, то, казалось бы, изменить тут ничего невозможно) ибо, как справедливо сказал А, Эйнштейн, 5,обмануть природу нельзя”. Скептики (и лентяи) очень любят это изречение, но они обычно не знают (или опускают) вторую его часть: ”…но договориться с ней можно”. Естественно, такой договор может быть заключен только при соблюдении ее законов. В каждом случае при решении новой инженерной задачи нужно найти тот самый закон, который позволит ,?договориться с природой*5 так, чтобы обойти трудности и получить нужный результат.
В середине 60-х годов группе сотрудников Московского энергетического института (МЭИ) и Института микрокриоген- ной техники в Омске удалось это сделать [4]. Мысль о том, как обойти неблагоприятное отношение теплоемкостей с^т ” срп, появилась в процессе экспериментов с дроссельными сис*
” Об этом было рассказано в гл. 4.
302 ；
Рис. 8.7. График, показывающий изменение агрегатного состояния рабочего те* ла в цикле Линде (заштрихованная часть полосы соответствует жидкости, не- заштрихованная - газу):
а — чистое рабочее тело； 6 — смесь; в — схема процесса; е — график протекания температур в теплообменнике
темами, где рабочими телами были не чистые вещества, а их смеси- Ведь можно подобрать состав рабочего тела так, чтобы оно в прямом потоке не только охлаждалось, но и частично конденсировалось, а в обратном не только нагревалось, но и испарялось. В этом случае жидкость образуется не при дросселировании, а раньше, в теплообменнике, как показано на полосовом графике рис. 8.7. Это является главным отличием, которое связано с тем, что теперь в теплообменнике от прямо* го потока отбирается не только тепло, определяемое его охлаждением, но и тепло конденсации rKm. Соответственно обратному потоку передается и тепло гип, связанное с его испарением. Между ними существует связь, обратная той, которая существует между теплоемкостями. Если %,巾 > ср п, то/Кт《гип. Зругими словами, теплота парообразования (а следовательно, н конденсации) тем меньше, чем выше давление. Подбирая соответственно составы смешанного рабочего тела, можно добиться нужного закона изменения разности температур вдоль теплообменника и получить перед дросселем в точке 3 темпе- Ратуру % очень близкую к 厶.Дроссель в этом случае будет Работать с малыми потерями, и простая установка в целом девается в несколько раз более эффективной; ее КПД стано-
303
вится выше, чем у тех, более сложных, где есть дополнитель- ное охлаждение или детандер. 一
Практически это означает, например, что установка с баллоном работает на смеси при прочих равных условиях в 4-5 раз дольше, чем на азоте. Компрессорная установка соответственно потребляет во столько же раз меньше энергии. Сейчас в микрокриогенике дроссельные системы на смесях практичес- ки полностью вытеснили установки на чистых веществах. Простейший цикл Линде приобрел в этих условиях ^второе дыханиеп и стал существенно эффективнее, чем более ело氷. ные циклы с дополнительным охлаждением или детандером. Классические трубчатые теплообменники, которые ведут начало еще с разработок Хэмпсона (см. гл. 3), удалось сделать очень компактными. Весь криоблок состоит из тепло- обменника, помещенного в небольшой сосуд Дьюара. На холодном конце теплообменника помещается объект (прибор, приемник излучения и др.). Установка комплектуется либо небольшим компрессором, либо баллоном со смесью сжатых газов, соединенных с криоблоком. В первом случае для этого необходимы две трубки — одна для сжатого рабочего тела (от компрессора), другая - для расширенного (к компрессору); во втором - только одна 一 от баллона, поскольку расширенный газ выпускается прямо в атмосферу или космическое пространство.
Когда криостатируемый объект или очень мал, или совсем не выделяет тепла (в последнем случае нужно только отводить теплопритоки через низкотемпературную изоляцию), холодопроизводительность микрорефрижератора очень небольшая. Это означает, что при работе нужно расходовать очень немного сжатой газовой смеси.
При малых, измеряемых кубическими сантиметрами в час расходах рабочего тела даже такие ,5карандашные55 теплообменники оказываются слишком громоздкими. В нашей стране и США разработаны для таких систем миниатюрные теплообменники принципиально новой конструкции, получившие название "планарных”. Они изготовляются из трех стеклянных пластинок, в двух из которых посредством лазерной или ДРУ' гой соответствующей технологии вырезаны каналы - один для прямого, сжатого потока, другой - для обратного расширенного (рис. 8.8). Затем пластинки склеиваются, причем 口"夕 перехода рабочего тела из прямого потока в обратный в сред*
Рис. 8.8. Планарный микротеплообменник
ней пластинке делается калиброванное отверстие, играющее роль дросселя. Эта же пластинка служит и теплопроводной стенкой, через которую тепло передается от прямого потока к обратному. Начальная часть канала для обратного потока используется как испаритель. Криостатируемый объект (например, пленка) приклеивается или напыляется снаружи к холодной части пластинки обратного потока напротив испарителя.
Электронщики, радиотехники и физики получили, таким образом, возможность охлаждать и поддерживать при заданной низкой температуре любые приборы и их элементы, как бы малы они ни были. Микрокриогенная техника может обслужить их ,5на земле, в небесах и на море".
В начале § 8.2 уже упоминалось, что наряду с многочисленными техническими областями микрокриогеника нашла применение и в самой гуманной области человеческой деятельности —медицине.
Идея ее использования возникла не на пустом месте. Холод издревле применялся для лечения. Это был, конечно, не "крно” уровень температур. Здесь действовало то правило, которое можно бнло наблюдать по ходу истории холода: как только удавалось получить более низкую температуру, так через некоторое время возникали и новые области ее применения.
Еще за 2500 лет до н.э. в Древнем Египте для лечения пере- ломов костей черепа и ранений грудной клетки применяли холодные компрессы. Интересно, что это было там же, где
впервые нашли способ искусственного охлаждения! Позже "отец медицины,? Гиппократ, написавший в одном из своих медицинских трактатов, что "холоп и помогает и убивает?,, списывал лечебный эффект местного охлаждения. В более поздние времена нашли медицинское применение и более низкие температуры. Началось с того, что более 100 лет назад для обезболивания при хирургических операциях стали применять охлаждение эфиром, который испарялся, создавая местное понижение температуры. Отметим, что это происходило примерно в то же время, когда началось использование эфира для той же цели в компрессорных холодильных установках. Тогда же появился и термин ,,замораживаниеп для обозначения местной анестезии.
Главный хирург Наполеона заметил во время похода в Россию, что после того, как раненые солдаты долго пролежали на снегу, можно было почти безболезненно производить ампутацию поврежденных конечностей.
Наш выдающийся хирург С. С. Юдин отмечал резкое уменьшение частоты послеоперационного нагноения ран после ана- стезии холодом. *
Другое низкотемпературное направление в медицине (так называемая гипотермия) появилось в начале 30-х годов. Идея возникновения гипотермии была подсказана многократными случаями удавшегося оживления утопленников через 30 мин (или даже больше) после того, как они ушли под воду. Обычно смерть необратимо наступает в таких случаях через 4-5 мин. Но если вода холодная...
,518-летний Бриан Каннингхэм провалился под лед замерз* шего озера в штате Мичиган; его вытащили только через 38 мин без малейших признаков жизни. Но юноша все же выжил и сейчас продолжает успешно учиться в колледже55. Такое сообщение было помещено в американском журнале ^Тайм55. Известны и другие такие же случаи.
Развитие низкотемпературной техники позволило проводить такие процессы охлаждения искусственно по точно заданной по времени программе. Охлаждение организма человека может быть как общим, так и локальным. Это позволило проводить длительные и сложные операции головного мозга> сердца и других органов. После окончания операции производится постепенный отогрев и восстановление всех жизненных функций.
Однако самый существенный шаг в область низких температур произошел в хирургии еще через 30 лет в начале 60-х годов. В США, а затем в СССР и других странах были произ- эедены первые криохирургические операции на головном мозге, далее этот метод стал получать все большее распространение. Он основан на том, что даже кратковременное воздействие криотемператур (от -150℃ и ниже) на живые биологические ткани безболезненно производит их локальную деструк- иню - разрушение, не повреждая соседние органы и ткани. Очаги криодеструкции сравнительно быстро заживают. Говоря простым языком, это означает, что нежелательное образование на теле человека - от невинной бородавки до опасной опухоли - может быть необратимо уничтожено и удалено без вреда для организма и почти без боли и последующих осложнений. Появилось целое направление -криомедицина, которая потребовала вначале совсем нехитрые криоинструменты, а затем все более сложные.
Одним из первых был предельно простой, но очень эффективный инструмент для операций на подкорковых структурах головного мозга. Он был сконструирован и изготовлен в ИФП в 1962-1963 гг. под руководством А.И. Шальникова. П.Л. Капица поддерживал эту работу, продолжавшую в определенной степени прежние криогенные традиции института.
Разрез этого устройства и его фрагменты показаны на рис. 8・9・ Прибор действовал посредством жидкого азота, который заливали в пенопластовый резервуар, служивший одновременно и рукояткой, которой оперировал хирург. Жидкий азот поступал по тонкой трубке в медный наконечник, испарялся там, а пар по наружной концентрической теплоизолированной трубке выводился наружу.
С 60・х годов криоинструменты для хирургии значительно усовершенствовали, а их ассортимент расширился. Появились и такие, которые размещались на конце гибкого теплого шланга и могли вводиться, например, в пищевод (или другую внут- реннюк! полость), чтобы выморозить определенное вредное Новообразование. Такой инструмент показан на рис. 8.10. МикроРефрижератор Линде того типа, о котором уже шла речь раньше, закреплен на конце гибкого трубопровода. По внутренней трубке идет сжатый газ (смесь), а по наружной 一 расширенный газ. Компрессор (или баллон со сжатым рабочим телом) расположен рядом на специальной стойке, где сосредоточена вся
Рис. 8.9. Простейший криоинструмент — деструктор, сделанный в 1962 г. в ИФП:а — холодный наконечник в увеличенном виде; 6 - общий вид; 1 一 рабочая часть инструмента, охлаждаемая жидким азотом; 2 — двустенная трубка с вакуумной теплоизолирующей полостью； 3 - руко- ятка-ванна с жидким азотом; 4 — трубка для отводаРис. 8.9. Простейший криоинструмент — деструктор, сделанный в 1962 г. в ИФП:а — холодный наконечник в увеличенном виде; 6 - общий вид; 1 一 рабочая часть инструмента, охлаждаемая жидким азотом; 2 — двустенная трубка с вакуумной теплоизолирующей полостью； 3 - руко- ятка-ванна с жидким азотом; 4 — трубка для отводаРис. 8.10. Медицинский криоинструмент с гибким теплым шлангом для операций на внутренних органах: ”1 - пульт управления； 2 - гибкий шланг; 3 - рабочий инструмент с охлаждаемым наконечником и теплообменником, находящимся внутри рукоятки^ 4 —набор сменных холодных наконечников разной формы и размеров; 5 — ножная педаль для текущего регулирования температурыРис. 8.10. Медицинский криоинструмент с гибким теплым шлангом для операций на внутренних органах: ”1 - пульт управления； 2 - гибкий шланг; 3 - рабочий инструмент с охлаждаемым наконечником и теплообменником, находящимся внутри рукоятки^ 4 —набор сменных холодных наконечников разной формы и размеров; 5 — ножная педаль для текущего регулирования температуры
Рис. 8.9. Простейший криоинструмент — деструктор, сделанный в 1962 г. в ИФП:
а — холодный наконечник в увеличенном виде; 6 - общий вид; 1 一 рабочая часть инструмента, охлаждаемая жидким азотом; 2 — двустенная трубка с вакуумной теплоизолирующей полостью； 3 - руко- ятка-ванна с жидким азотом; 4 — трубка для отвода
Рис. 8.9. Простейший криоинструмент — деструктор, сделанный в 1962 г. в ИФП:
а — холодный наконечник в увеличенном виде; 6 - общий вид; 1 一 рабочая часть инструмента, охлаждаемая жидким азотом; 2 — двустенная трубка с вакуумной теплоизолирующей полостью； 3 - руко- ятка-ванна с жидким азотом; 4 — трубка для отвода
Рис. 8.10. Медицинский криоинструмент с гибким теплым шлангом для операций на внутренних органах: ”
1 - пульт управления； 2 - гибкий шланг; 3 - рабочий инструмент с охлаждаемым наконечником и теплообменником, находящимся внутри рукоятки^ 4 —набор сменных холодных наконечников разной формы и размеров; 5 — ножная педаль для текущего регулирования температуры
Рис. 8.10. Медицинский криоинструмент с гибким теплым шлангом для операций на внутренних органах: ”
1 - пульт управления； 2 - гибкий шланг; 3 - рабочий инструмент с охлаждаемым наконечником и теплообменником, находящимся внутри рукоятки^ 4 —набор сменных холодных наконечников разной формы и размеров; 5 — ножная педаль для текущего регулирования температуры
испарившегося азота; 5 — жидкий азот
измерительная и управляющая аппаратура. Для таких инструментов жидкий азот не нужен. Таким образом, внутри пациента помещается весь криоблок цикла Линде, включая теплообменник, дроссель, испаритель и тепловую изоляцию. Такую возможность едва ли мог предвидеть доктор К. Линда!
В дальнейшем криоинструменты стали комплектовать волоконной оптикой с осветителем, чтобы хирург мог видеть, что происходит внутри пациента при операции, и другими приспособлениями (например, одновременно и для ультразвукового воздействия). Но это уже не наша область; сейчас нужно вернуться от малой к большой криогенике. Здесь другие масштабы, вплоть до космических.
308
8.3. КОСМОС И НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
О каком бы направлении науки или отрасли техники ни шел разговор в наше время, он очень часто так илр иначе связывается с космосом. Это и неудивительно - человечество уже вступило в начало космической эры, и такая связь неизбежно проявляется.
Понятия "космос” и ^низкие температура” поставлены рядом не напрасно. К такому сопоставлению ведет не только человеческая деятельность, связанная с выходом в космос; их соединила сама природа.
Прежде всего нужно вспомнить, что в космосе (конечно, в тени, а не под лучами Солнца) очень холодно. Там господа вуют температуры всего на несколько градусов выше абсолют- ного нуля.
Первым, кто это понял, был великий химик и физик А. Лаву, азье. Вспомним часть его знаменитого предсказания, которое приводилось enje в гл. 1 этой книги: "Если бы Земля попала вне- зап но в среду с очень низкой температурой, подобной, напри. мер, температуре Юпитера или Сатурна, вода, которая образует теперь наши реки, моря, и, вероятно, значительное большинство известных нам газов и жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы...5, Тольке теперь стало ясно, насколько был прав Лавуазье. Оказалось, что далекие планеты и их спутники -это гигантские криокладовые, о которых мы действитель- но, как он писал далее, ,5не имели никакого понятия”.
Американские космические станции ^^Boяджep-l^^ и 5,Вояд- жер-2я, запущенные к дальним планетам Солнечной системы, обнаружили там ожиженные и замороженные газы в таких количествах, которые и не снились земным криогенщикам. То, что удалось получить в земных лабораториях с колоссальным трудом, лежит, плавает и летает там с незапамятных времен.
Спутник Сатурна - Титан. На его поверхности очень холодно: в нижних слоях атмосферы температура составляет от 70 до 75 К. Поверхность покрыта "болотами” и "мерями” из жидкого азота с примесью углеводородов; над ними стоит азотный туман；
В атмосфере планеты Нептун, состоящей из смеси водорода, гелия и метана, плавают облака из метанового “снега”, а под ними ,5почва,5 из водяного льда с ,5озерами!, из жидкого метана. Его спутник - Тритон частично покрыт, как и Титан, "океаном” из смеси жидких азота и метана, а на "суше” громоздятся горные хребты из замороженного метана.
Плутон - самая отдаленная от Солнца планета - так же, как и его спутник Харон, почти полностью состоит из замороженного метана. Этот газ, который содержится в недрах Земли и используется как ценнейшее топливо, там служит основным ^^cтpoитёльным^^ материалом гео- и атмосферы этих планет.
Есть в Солнечной системе не только "крио”, но и ,5холодиль- ные?, планеты и спутники. Например, Ееропа - спутник (вернее —спутница) Юпитера, не так холодна, как эти планеты.
Она вся покрыта самым обычным водяным льдом. Но толщина этой леданой кбркн фантастическая - около 100 км! По сравнению с ней даже самые толстые ледники Антарктиды и Гренландии -тонкие пленочки!
При этом нужно вспомнить и о том, как удалось узнать обо всем этом. Космическая техника, которая вывела американские станции и другие объекты на орбиты, без криогеники не смогла бы ни запустить ракеты-носители, ни управлять космическими лабораториями, ни поддерживать с ними связь на расстояниях, которые радиоволны, несущиеся со скоростью света, преодолевают только за 3-4 ч!
Первым ^сватом*5, который свел космическую технику с криогеникой, был ее основоположник К. Э. Циолковский. В 1903 г, он предложил реактивный двигатель для космической ракеты, в котором топливом служил бы жидкий водород, а окислителем -жидкий кислород. На рис. 8.11 дана схема такой ракеты, взятая из работы Циолковского. На рисунке показаны даже насосы, предназначенные для подачи жидких кислорода и водорода в камеру сгорания. Чтобы почувствовать, насколько далеко вперед смотрел Циолковский, нужно вспомнить, что в это время даже жидкий кислород был экзотическим продуктом, о котором можно было только прочесть заметку в журнале. Его количество во всем мире измерялось литрами, а Циолковский писал о баках ракеты, в которые нужно было налить тонны жидкого кислорода! Он также деловито рассуждал не только о жидкокислородных и жидководородных ба* ках на борту ракеты, но и о насосах и камере сгорания!
Что касается водорода, то тогда ученый мир еще не пришел в себя от восторга после первого ожижения водорода д. Дьюаром. Общий запас его во всем мире мог поместиться в одном небольшом сосуде. Реализовать полностью все эти идеи Циолковского смогли только через 60 лет.
Но характерно, что при совершенно несоизмеримой разнице между простой картинкой Циолковского и сложнейшей конструкцией современной жидководородной ступени ракеты- носителя принципиальная ее схема точно та же.
Путь к ней был, естественно, не таким простым; от ''сватов- ства” до "свадьбы” было очень далеко. К.Э. Циолковский это понимал очень хорошо. ,!...Я нисколько не обманываюсь и отлично знаю, что не только не решаю вопроса* во всей полноте, но что остается поработать над ним в 1000 раз больше, чем я
Рис. 8.11, Схема ракеты на жидких водороде (топливо) и кислороде (окислитель! из книги Циолковского I
работал. Моя цель - возбудить к нему интерес, указав на вели? кое значение его в будущем и на возможность его решения,5. И эта цель была достигнута, хотя ему и не суждено было дожить до начала эры практического освоения космоса. Что касается жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), где окислителем был жидкий кислород, то эта идея не только была подхвачена, но и впервые реализована еще при его жизни (Циолковский умер в 1935 г.).
Основоположник ракетной техники в США Р. Годдард писал в 1920 г.: ^Было бы крайне желательно применить водород и кислород в жидкой и твердой фазе соответственно. Причина в том, что термическая энергия водорода и кислорода даже в этих условиях почти в 3 раза больше энергии бездымного по- роха”. Как видно из этой цитаты, Годдард пошел еще дальше в ^^кpиoгeнизaIдии^^ ракетных окислителей, чем Циолковский, предложив твердый кислород вместо жидаого.
Г. Оберт, сыгравший в Германии ту же роль, что Годдард в США, тоже рассматривал в 1923 г. вариант водородно-кислородного двигателя на базе их хранения на борту ракеты в жидком виде.
Проектирование первого в нашей стране ракетного двигателя ОР-2 на жидком кислороде было начато в начале 1931 г. под руководством Ф.А. Пандера. Испытания и доводка двигателя начались 18 марта 1933 г., но успешно были закончены и была получена расчетная тяга уже после смерти Цандера (28 марта 1933 г.).
Дальнейшая работа в направлении создания ракетных двигателей с использованием криоагентов связана в нашей стране с образованием Государственного института ракетного движения при поддержке М.Н. Тухачевского, а затем Ракетного научно-исследовательского института.
Интересная и драматическая история ракетной техники описана во многих статьях и книгах. Ее ^криогенная5* часть, относящаяся к двигателям, развивалась опережающими темпами.
В настоящее время идея Циолковского реализована полностью. Вслед за жидким кислородом стал использоваться и жидкий водород, заменивший в качестве топлива керосин и ххругие аналогичные виды топлив. На нем работали две последние ступени американской ракеты-носителя "Сатурн”, выводившей на орбиту астронавтов, летевших к Луне, так же как и двигатели нашего ^^Бypaнa^^.
Твердый водород, о котором писал Годдард (как и твердый кислород), пока не применяется напрямую в ракетных двигателях для космоса; однако часть этой идеи уже реализуется. Дело в том, что заполнять баки ракеты твердыми водородом и кислородом и подавать их в камеру сгорания очень трудно (если не невозможно). Однако существует и другой, компромиссный путь. Можно использовать смесь жидкого и твердого топлива (и соответственно окислителя), так называемую "шугу”'. Такая "каша” из кислорода или водорода с 20-30% твердой фазы обладает всеми достоинствами жидкого криоагента (ее можно перекачивать насосами и транспортировать по изолированным трубопроводам), но на 10-15% плотнее. Поэтому при тех же вместимостях баков в них можно поместить больше топлива и окислителя. Кроме этого, теплоприто-
1 При низких начальных температурах, соответствующих конденсированному СОСТОЯНИЮ.
312
ки через изоляцию баков приводят не к испарению жидаости, а только к плавлению части льда; жидкость в баках может храниться дольше.
Не допуская преувеличения, можно утверждать, что связь космической техники с криогеникой, начатая Циолковским, помогла человеку не только выйти в космос, но и развить, как часто бывает, другие возможности. Одно из них - использование жидкого метана, а затем и жидкого водорода в качестве топлива в авиационных и автомобильных двигателях. Опытный самолет ТУ-154 уже летал на жидком водороде. Но это только первые шаги. Для новых межконтинентальных сверхзвуковых лайнеров это топливо дает еще больше возможностей. По самым скромным подсчетам, масса самолета во время полета при переходе на жидкий водород снизится при прочих равных условиях примерно на 25%, а стоимость - примерно 气 30%. Кроме этого, продукт сгорания (а не продукты, как у керо! сина) будет экологически чистым. I
Вернемся, однако, к теме "Космос и низкие температуры . Она связана не только с холодом космического пространства и плавающими в нем замороженными планетами и спутниками. Ведь в космосе царит и вакуум - Сродной брат" низких температур. Вспомним первые шаги и скусственн о го охлаждения, описанные в гл. 2. Одним из самых первых было вакуумирование откачкой пара - сначала над водой, а затем и над другими жидкостями, температура которых понижалась при этом вплоть до точки, замерзания. При дальнейшей откачке за счет сублимации льда можно было добраться и до более низких температур. Но в космосе, если мы хотим применить такой способ получения низкой температуры, не нужно никакой искусственной откачки, никаких вакуум-насосов! Достаточно открыть пробку сосуда с жидкостью и сам космос высосет из него пар до любого нужного низкого давления. При этом нужно прилагать усилия не для того, чтобы отсосать пар; напротив, вся трудность сводится к тому, чтобы не выпустить слишком много паров, и удержать давление над жидкостью (или льдом) на нужном уровне. Поскольку давление и температура (см* рис. 2.7) для каждого испаряющегося вещества однозначно связаны между собой, можно таким способом получить любую нужную температуру.
1
На таком принципе устроены многочисленные космические расходные криорефрижераторы. В сосуде Дьюара помещается объект криостатирования, окруженный жидкостью (гелием, метаном, аргоном и др.) или льдом (твердым водородом, неоном, метаном и др.)・ Когда сосуд (криостат) выведен в космос, пробка отстреливается, и пар из сосуда отсасывается космическим вакуумом; давление в криостате (а следовательно, нужная низкая температура) поддерживается автоматическим вентилем. На рис. 8.12 показан разрез одного такого криостата с замороженным криоагентом. В зависимости от запаса криоагента и тепловой нагрузки он может работать как несколько суток, так и несколько месяцев и даже лет.
Если криоагент в таком рефрижераторе не твердое тело, а жидкость (например, жидкий гелий, который необходим, если нужна температура в несколько кельвинов или даже ниже), то задача усложняется. Ведь в условиях невесомости жидкость не будет находиться в нижней части сосуда (там вообще нет ни "верха”，ни ,5низа,?) и может вместе с паром вылететь из криостата. Но эта трудность была преодолена созданием специальных хитрых сепараторов, которые пропускают пар, но задерживают жидкость.
Если с помощью космического вакуума можно получать холод, то естественно возникает мысль: нельзя ли, наоборот, с помощью холода получать космический вакуум? Такие идеи - ^перевертыши55 часто используются в технике.
Когда понадобился космический вакуум на земле (для физических исследований, при испытаниях космических изделий и др.)5 были созданы основанные на криогенной технике вакуумные насосы. Таким криоеакуумным насосам не поручается столь 5,грубая рабстам, как откачка основной массы газа; для этого используются обычные вакуумные насосы. Только после того, как они сделают свое дело, включается криовакуум- ный насос и начинается "охота" за оставшимися молекулами (а их довольно много - миллионы на 1 см3). Всех их выловить, конечно, невозможно, однако вакуум, близкий к космическому, получается. Как же это делается?
Вакуумные насосы, предназначенные для получения такого вакуума, бывают двух типов 一 криоконденсационные и крио- сорбционные. Действие первых - криоконденсационных, основано на том, что на внутренней оребренной поверхности насоса, охлажденной до низких температур, вымораживаются,
315
Рис. 8・12・ Схема и разрез космического криостата с замороженным криоагентом:I - металлический сосуд Дьюара; 2 — замороженный криоагент; 3 — трубка для за ливки криоагента; 4 — охлаждаемый объект (приемник излучения); 5 - трубка для отвода пара в космическое пространство; ^ — металлические перфорированные диски для отвода тепла от стержня; 7 стержень для отвода тепла от объектаРис. 8・12・ Схема и разрез космического криостата с замороженным криоагентом:I - металлический сосуд Дьюара; 2 — замороженный криоагент; 3 — трубка для за ливки криоагента; 4 — охлаждаемый объект (приемник излучения); 5 - трубка для отвода пара в космическое пространство; ^ — металлические перфорированные диски для отвода тепла от стержня; 7 стержень для отвода тепла от объектаРис. 8.13. Схема действия крио- конденсационного вакуумного насоса:£ - вакуумируемая полость; 2 — корпус вакуумного сосуда; 3 -— шевронный экран, защищающий от теплового излучения поверхность вымораживания; 5 — жидкий гелий; 6 - жидкий азот; 7 — трубопровод для отвода испарившегося азота; 8 - вакуумная теплоизоляция; 9 — трубопровод для отвода испарившегося гелияРис. 8.13. Схема действия крио- конденсационного вакуумного насоса:£ - вакуумируемая полость; 2 — корпус вакуумного сосуда; 3 -— шевронный экран, защищающий от теплового излучения поверхность вымораживания; 5 — жидкий гелий; 6 - жидкий азот; 7 — трубопровод для отвода испарившегося азота; 8 - вакуумная теплоизоляция; 9 — трубопровод для отвода испарившегося гелияНе NzНе Nz
Рис. 8・12・ Схема и разрез космического криостата с замороженным криоагентом:
I - металлический сосуд Дьюара; 2 — замороженный криоагент; 3 — трубка для за ливки криоагента; 4 — охлаждаемый объект (приемник излучения); 5 - трубка для отвода пара в космическое пространство; ^ — металлические перфорированные диски для отвода тепла от стержня; 7 стержень для отвода тепла от объекта
Рис. 8・12・ Схема и разрез космического криостата с замороженным криоагентом:
I - металлический сосуд Дьюара; 2 — замороженный криоагент; 3 — трубка для за ливки криоагента; 4 — охлаждаемый объект (приемник излучения); 5 - трубка для отвода пара в космическое пространство; ^ — металлические перфорированные диски для отвода тепла от стержня; 7 стержень для отвода тепла от объекта
Рис. 8.13. Схема действия крио- конденсационного вакуумного насоса:
£ - вакуумируемая полость; 2 — корпус вакуумного сосуда; 3 -— шевронный экран, защищающий от теплового излучения поверхность вымораживания; 5 — жидкий гелий; 6 - жидкий азот; 7 — трубопровод для отвода испарившегося азота; 8 - вакуумная теплоизоляция; 9 — трубопровод для отвода испарившегося гелия
Рис. 8.13. Схема действия крио- конденсационного вакуумного насоса:
£ - вакуумируемая полость; 2 — корпус вакуумного сосуда; 3 -— шевронный экран, защищающий от теплового излучения поверхность вымораживания; 5 — жидкий гелий; 6 - жидкий азот; 7 — трубопровод для отвода испарившегося азота; 8 - вакуумная теплоизоляция; 9 — трубопровод для отвода испарившегося гелия
Не Nz
Не Nz
оседают и накапливаются в виде мелких кристалликов части газа. С ними происходит примерно то же, что с мухами, садящимися на липкую бумагу. Процесс криозахвата идет до тех пор, пока вакуум в отсасываемой полости не достигает нужного уровня. На рис. 8.13 показан один из вариантов такого насоса.
Криоадсорбционные насосы действуют подобным же образом, но в них молекулы газа не вымораживаются на охлажденных панелях, а поглощаются адсорбентом, охлажденным до иизких температур.I
Так, с помощью криогеники создаются космические условия на земле； чтобы полностью их имитировать, в вакуумной камере обеспечивают и соответствующую криотемпературу. -
Г лава девятая
ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Прогнозирование — рискованное занятие для любого человека, взявшего на себя роль пророка.
Р. Эйрес
Вот и закончилось наше путешествие по стране низких температур. Началось оно от 0℃ и закончилось около 0 К. В течение всего этого пути 一 от твердой воды до жидкого гелия, пути, растянувшегося с глубокой древности до наших дней, 6н・ •по много встреч с интересными событиями, выдающимися деятелями науки и техники, их творениями, победами и поражениями...
318318
318
318
Во многих местах хотелось бы остановиться, побыть подольше и увидеть побольше. Однако объем книги ограничен; о многом пришлось писать коротко, а некоторые интересные вопросы просто опустить. Лишний раз подтверждается мудрое изречение Козьмы Пруткова: "Нельзя объять необъятное5\
Остается подвести некоторые итоги и посмотреть вперед - что же дальше?
Что касается подведения итогов, то лучше всего, по-видимо- му, представить весь путь от ,,ледяного,э нуля до ,,гелиевого>, в таком виде, чтобы его можно было окинуть одним взглядом. Тогда отдельные события не будут заслонять общего хода дела. Это можно сделать в форме графика, на котором показаны в сжатом виде достижения в области низких температур в их логической связи. Два таких графика показаны на рис. 9.1 н92
Рис* 9.1. Динамика развития науки в связи с развитием низкотемпературной техники:
1 — условная граница холодильной и криогенной отраслей техники (при 120К); 2-3 - границы температур, достигаемых откачкой пара криоагента и адиабатным размагничиванием атомов (ниже - ядерное размагничивание)
Рис. 9.2. Динамика развития криогенной техники:
I - холодильные установки; 2 - низкотемпературные холодильные установки; 3, 4 — получение жидких кислорода и азота; 5 - извлечение гелия из природного газа; 6 — транспортировка сжиженного природного газа; 7 — разделение смеси водород-дейтерий ректификацией; 8 - жидкий водород для ракетной техники; 9 - водородная "шуга**; 10 - транспортировка жидкого гелия и крио- статирование сверхпроводящих устройств; 11 - криовакуумные насосы; 12 - имитация космоса и криостатирование космических объектов
Рисунок 9.1 показывает динамику развития как низкотемпературной науки, так и техники в их взаимосвязи. Нижняя линия представляет наинизшие температуры, достигнутые к соответствующим годам, верхняя - температуры, используемые в технике и технологии. Ось температур сделана в логарифмической шкале, сжатой сверху и растянутой снизу с тем; чтобы удобнее показать ход событий в области температур ниже 1 К.
Построение графика начинается с 1840 г. Именно в это вре* мя опыты Фарадея дали решающий толчок низкотемпературным исследованиям. Отсутствие на графике некоторых событий XVII - начала XIX вв. не означает, естественно, неуважения £ трудам и заслугам исследователей, работавших в эти времена над проблемами холода. Их достижения, которые легли в основу всех последующих открытий и изебретений, не могут
игнорироваться. Но в масштабах графика температуры, близкие к окружающей среде, просто не будут видны. Тем более на графике не отражены события периода, относящегося к предыстории низких температур. По выражению Р. Тевено, длительное время занимавшего пост президента Международ, ного института холода, это время можно разделить, по. аналогии с общей историей человечества, на две части: нпалео- литм (ххревний каменный век) и "неолит" (новый каменный век). Эта аналогия очень удачна.
В "палеолите” человек довольствовался тем, что ”口。口6н・ рал” природный холод в том виде, который ему давали боги. В ^неолите55 человек уже обрабатывал этот природный холод, приспосабливая его к своим нуждам. Переход от пассивного собирательства к активному воздействию на объект труда, который произошел во время ^неолитической революции**, знаменует резкое, качественное изменение с далеко идущими последствиями. Итак, график наглядно показывает эти последствия: за 100 лет (с 1850 по 1950 г,) был фактически пройден весь путь "от нуля до нуля”. Лалыпе, собственно, двигаться уже некуда (^отя нуль оси ординат уходит вниз до бесконечности, поскольку наука утверждает, что он в принципе недостижим).
Несколько иная картина с криогенной техникой; понижение температур, определяющих ее применение (исключая приборы для физических исследований), идет менее круто. Это происходит потому, что разработка и освоение криотехничес- ких систем неизбежно требуют времени. Кроме этого, на уровне температур ниже 1 К заказчиков на криогенику, не считая физиков, связанных с научными исследованиями, пока нет.
На графике рис. 9.2 линия, относящаяся к технике, показана более подробно, начиная с 1890 г. Здесь отмечены моменты, соответствующие появлению основных технических достижений, связанных с криогенной техникой.
Эти графики наглядно показывают, что дальнейшее развитие низкотемпературной техники в части получения все более низких температур уже не имеет смысла. Значит ли это, что подавляющее большинство исследователей, как холодильщиков, так и криогенщиков, должны менять профессию и искать другие сферы приложения своих творческих возможностей? Тогда они должны только выпускать уже известные машины, аппараты и устройства (естественно, хорошего качества) и довольствоваться этим.
320 I
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть на ситуацию шире: во всех ли характеристиках холодильная и криогенная отрасли техники достигли практически предела, так же как с получением низких температур? Отвечая на такой вопрос, чаще всего думают о возможностях увеличения, говоря языком системного подхода, "выхо口а" (производительности). Действительно, здесь есть определенные возможности; можно делать более крупные и производительные установки. Можно делать и разные их варианты, приспособленные к задачам, которые ставит тот или другой заказчик. Это тоже нужно. Но такие пути нового не сулят 一 это в значительной степени повторение пройденного.
Чтобы выйти из кажущегося творческого тупика, нужно обратить внимание на другой, более информативный показатель -отношение "внхола” установки ко "вхолу", т.е. результата к затратам. Если ограничиться энергетическими показателями, jro при корректном подсчете эта величина соответствует КПД. Каков он у современных криогенных установок, показано ниже： 一 二一 ：亠
一一二 КnД,% -
Воздухоразделительная установка.... 15-20 •
Ожижитель:二「.
азота,30-35
водорода10-15
гелия 8-12
МикрокриорефрижератсфЖтровень^гемпе-
ратур,К:'» 「 二
8020-25 什
20 Л 10-12
4J5-8
Эти значения, близкие большей частью к КПД паровоза, заставляют задуматься; получается, что 70-80% (а то и более) затраченной*электроэнергии уходит в потери.
Таким образом, становится очевидным, что дальнейший путь развития техники низких температур и соответственно ее научной базы должен идти в основном по пути повышения ее энергетического совершенства. Этот термин - ^энергети- ческое совершенством нужно понимать в более широком плане, чем просто сокращение расхода энергии на эксплуатацию (и соответственно повышение .КГГЛ). Чтобы создать установку, нужны материалы, оборудование, человеческий труд и энер-
-321.
гия. В свою очередь, добыча материалов, изготовление обо-^ рудования, обеспечение инфраструктуры (жилья, питания и др.) также требуют энергии. В конечном счете, все неизбежно сводится к ней. Если есть работоспособная энергия - абсолютный ресурс - можно добыть и сделать все что угодно. Нет энер-. гии - ничего сделать нельзя даже тогда, когда материальные! ресурсы в изобилии.
В настоящее время при росте населения, которое сопровождается истощением многих природных ресурсов и загрязнением окружающей срепн, задача совершенствования любой о техники - это максимальная экономия всех ресурсов, а в конеч- 5 ном счете - энергии. Холодильная техника в сочетании с криогеникой занимает при этом важное место. Они вместе забирают в развитых странах до 15-20% электроэнергии, не говоря уже о других ресурсах. Это достаточно большое значение.
Каковы же возможные пути совершенствования этих отраслей на ближайшую перспективу? Делать прогнозы в наше время очень трудно, особенно если речь идет о сроках, превышающих 5-10 лет. Примеров неудачных, иногда даже анекдотических научно-технических прогнозов, которые делали иногда очень умные люди, известно много.
Проще всего было бы отказаться от этого. Книга уже написана, а будущее само покажет, куда пойдет дело. Однако отступать здесь нельзя. Нужно соблюсти только одно условие - быть больше оптимистом, чем пессимистом, поскольку прогнозы первых сбываются чаще (разумеется, это относится не к политике).
Итак, что можно сказать о ближайших перспективах развития низкотемпературной техники и технологии? Если оставить в стороне конструктивные улучшения техники, которые будут происходить постоянно, но дают сравнительно небольшой эффект, а обратиться к фундаментальным, то нужно назвать четыре.
Использование текучих рабочих тел с новыми полезными тшлофизическими свойствами, в том числе смесей жидкостей в метастабильном состоянии и двухфазном (типа "шуги'5).'
Применение новых способов сжатия, расширения и транспортировки рабочих тел в электрическом и магнитном полях.
3・ Использование вторичных и других низкотемпературных энергетических ресурсов для привода (основного или вспомогательного) оборудования низкотемпературных систем.
Использование электрокалорического и магнитокалори-； ческого (ЭК и ^fК) эффектов на основе поиска новых диэлект-1 риков и магнетиков, а также высокотемпературной сверхпро- водимости.
Прогнозировать новые приложения низкотемпературной техники в разных технологиях — это еще более трудная запада; их число очень велико.
Единственное, что следует при этом отметить - это тенден- иия ко все большему выходу криотехнологий за пределы облао ти m известных применений: пищевой, медицинской, биоло- гической, а также радиоэлектронной. Здесь можно выделить два новых направления — криохимию и криоэнергетику. '
Криохимия возникла в связи с открытием своеобразных химических реакций, активно протекающих при низких температурах. Это открывает большие возможности создания новых веществ и материалов.
Интерес к криоэнергетике возник в связи с неизбежным в' перспективе освоением полярных областей на Земле и необходимостью освоения ближнего космоса, в частности поверхности Луны. Использование низких температур окружающей среды в этих условиях дает возможность создания достаточно эффективной и, главное, экологически чистой энергетики.
Необходимо в заключение уделить внимание несколько неожиданному, но очень важному направлению низкотемпературной техники - использованию ее не для охлаждения, а для нагревания различных объектов при температурах 80-1500 С и выше. Этот, на первый взгляд противоречащий нормальной логике перенос: техника, спеииально созданная длн производства холода, используется для диаметрально противоположной ее назна^нир пели, да еще в несвойственной ей температурной области.
Возникает, естественно, два классических вопроса: каким образом это стало возможно и зачем это нужно?
Ответ на первый вопрос будет дан ниже; предварительно ； Можно лишь отметить, что поскольку перенос технических
идей из "горячей" области в "холодную” осуществляется у昂 пешно1, то обратный проиесс тоже не исключается.
Однако, кроме возможности, надо принимать во внимание и иелесообразность. Ведь гораздо проще производить нагрев старым, известным тысячи лет классическим способом - не- росредственным сжиганием топлива! Однако оказывается, что этот простой путь далеко не всегда хорош как с экономической, так и с экологической точек зрения.
Известно, что современная энергетика в основном базирует- ся, несмотря на появление атомных электростанций, на сжигании ископаемого органического топлива (угля, нефти и газа). Настоятельная необходимость его экономии очевидна. Лело не только в истощении запасов и возрастающей стоимости добычи. Не меньшее значение имеет и настоятельная необхоххи- мость замедлить, а затем и радикально снизить негативное воздействие энергетики на окружающую среду. -
Работу в этом направлении можно вести как с "головы” энергетики (производство энергии из природных источников), так и со стороны ^хвоста55 (использование произведенной энер- нии). Когда говорят об энергетике, обычно основное внимание обращают на "голову" - производство электроэнергии. Находящиеся на "хвосте" потребители пользуются гораздо меньшим вниманием. Между тем, каждый 1 кВт«ч электроэнергии, используемый в коние энергетической иепи, стоит намного больше, чем в ее "голове”. Действительно, если, например, КПД2 электростанции составляет 35 %, системы электропередачи -96 %, а холодильника - 1,5%, то общий КПД всей иепоч- ки преобразования энергии 1] = 0,35-0,96*0,15 = 0,05, или 5 %. Это означает, что 1 кВт«ч электроэнергии, сэкономленный в холодильнике, даст экономию энергии в "голове”, равную 1/0,05 =
=20 кВт-ч! В денежном выражении разнииа будет еще больше, так как эксплуатаиионные затраты делаются не только вначале (на топливо), но и на всех этапах преобразования энергии.
Таким образом, как с точки зрения экономии ресурсов, так и уменьшения вредных воздействий на окружающую среду, нельзя недооиенивать важность усовершенствования технических объектов, замыкающих цепочку энергетических превращений. О КПД расположенных именно здесь холодильных и криогенных установок мы уже говорили. Каков этот коэффиииент у отопительных устройств?
Чтобы его вычислить, нужно сравнить действительный, реальный процесс нагрева с идеальным для тех же условий.
Используем для этого формулу С. Карно, переместив иикл из нижней температурной области (под Т° с) в верхнюю (над Т° с). Тогда нижняя температура То < Т должна быть заменена на %簿，曰 верхняя ,,теплая,\ соответствующая условиям нагрева,- на Т>То с，В этом случае значение L = ―丁竺 Q ~ tQ покажет работу, которую можно получить в идеальном проиессе, используя теплоту Q при температуре Т> Т .
Таким образом, значение работы Остановится мерой качества, работоспособности теплоты Q. Из формулы видно, что чем выше Т, тем она больше при данной температуре среды Т° с. Если температура очень высока, то работоспособность, измеряемая значением L, становится близкой (а в пределе и равной)
поскольку значение т = —工 1^- стремится к еди-
ниие. Если же температура Т будет снижаться, то иенность теплоты, измеряемой ее работоспособностью, падает и при Т = Т0 css ==293 К становится равной нулю, что видно из данных, приведенных ниже:
Т#К .... 3000 2000 1000 800 500 400 300 293
L/C .... 0,90 0,85 0,71 &63 0,41 0,27 0,02 0,0
Напротив, при высоких температурах энергетическая иенность теплоты очень высока и она почти целиком может быть превращена в работу.
Зная значение работоспособности (в термодинамике для нее используется термин "зксергия” [18]) теплоты Q, можно оп-
ределить эффективность различных способов нагрева при pa# 1 ных температурах. Если речь идет, например, о металлургических процессах, где нужны температуры 1200-1500℃ (14731773 К), то очевидно, что прямое использование теплоты, получаемой непосредственно при сжигании топлива (в идеале здесь т -♦ 1) выгодно, поскольку т горячего металла составляет 0,8-0,84. Однако для отопления и других процессов, где нужны температуры 80-150℃ (353-423 К), ситуация выглядит иначе. Соответствующее значение т находится в пределах от 0,31 до 0,17. Это означает, что большая часть (60-80 %) работоспособности теплоты, которую можно было бы использовать для про^ $ изводства работы или электроэнергии, теряется бесполезно * при ее переходе с верхнего уровня на нижний. Соответствен- ? но КПД таких процессов, когда, например, вода или воздух $ помещения нагреваются прямым сжиганием топлива или электроэнергией (у которой т = 1) очень низок и не превышает ] 20 %. При современной энергетической и экологической ситуации такая варварская трата работоспособности топлива в крупном масштабе недопустима.
Еще в прошлом веке некоторые выдающиеся научные деятели обратили внимание на это обстоятельство. Были намечены два пути решения задачи, но начало их реализации 6blлб положено только в 20-х годах нашего века.
Первый из них - теплофикация - основан на том, что турб* ны электростанций расширяют пар не до давления, соответствующего температуре окружающей среды 几© как это делается на конденсационных электростанциях, а до некоторогЬ промежуточного давления. При этом еще достаточно горячий пар может использоваться для отопления или других нужд либо непосредственно, либо нагревая воду. В результате такие станции (теплоэлектроцентрали) используют верхнюю часть перепада температур, которая бы терялась при непосредствей- ном нагреве для получения работы, превращаемой в электроэнергию, а нижнюю его часть - для нагрева при промежуточной температуре %. Отдаваемая при этом работа несколько уменьшается, но зато нагрев осуществляется экономично 宀 использованием отработанной низкотемпературной теплоты. Таким образом, весь интервал температур разбиваемся на две части - верхнюю от Т до 北,которая используется для работы, * и нижнюю - от 0 по То.с - ДлЯ получения теплоты. Потеря работоспособности в интервале от Т до %, связанная с непосред- 冰1
ственным нагревом потребителя, исключается, и расход топлива на цели обогрева снижается более чем вдвое.
Такой широко распространенный в нашей стране путь решения задачи отопления и нагрева - теплофикация - имеет и некоторые недостатки. Первый из них состоит в том, что производство теплоты тесно связано с выработкой электроэнергии, а соотношения в их потреблении существенно меняются как по сезонам, так и в течение суток. Второй связан с транспортированием горячей воды на большие расстояния по теплоизолированным трубам, что приводит к относительно большим затратам на их прокладку, ремонт и обслуживание.
Второй способ экономичного нагрева осуществляется не "сверху вниз” (от Тдо 0), как на ТЭЦ, а наоборот, мснизу вверх” (от То.с П° 与)на базе принципов холодильной техники» В. Томсон-Кельвин взглянул на парокомпрессионную холодильную установку в несколько неожиданном для своих современников (и не только для них) аспекте. Ведь ее назначение - забирать теплоту на низком уровне То и отдавать на более высоком То с» » То. Что, если ее "перепвинуть” вверх по температурам?
Тогда нижним уровнем станет Тох, а верхним - Тн > ”工・ В этом случае холодильная установка будет непрерывно "качать” бесплатную теплоту из окружающей среды (воды, воздуха или грунта) на уровень 厶,нужный дли отопления и других целей, связанных с нагревом. Получится некий "тепловой насос55. Энергия будет затрачиваться только на "перекачку" теплоты снизу вверх.
Выгодно ли это? Взглянем на рис. 2.9 и представим с его помощью процесс работы теплового насоса. Отличие от холодильной установки будет состоять только в том, что температуры сдвинутся вверх: £ будет заменена на 7^© а 几工 ^ 4・ Тогда отрезок ав будет соответствовать теплоте Q。© отбираемой из окружающей среды при 7^ с, а отрезок cd теплоте Qr, отдаваемой потребителю на уровне 4； работа, нужная для этого, будет равна Е (отрезок md). Очевидно, что произведенная теплота Qr = Е + Qo с будет больше как даровой теплоты, отобранной из окружающей среды, так и затраченной работы Е. Отношение
Q l + Qqc
U = —L = — называется коэффициентом преобразования
теплового насоса; он всегда больше единицы. Если, например, Т = 293 К (20℃), а Тг = 353 К (80℃), то Q/Q0>c= Т/ Т0>с= 353/253= =1,2. Следовательно, единица бесплатной теплоты из окружа- 327
Гейландт П. 171Гей-Люссак Д. 59, 77,94 .Гелиогабал 13, 212Гельмгольц Г. 108,109Гепперт Г. 201, 203Герике Отто фон 22, 35Гершель Д. 77Гесс А. 166Гинзбург В. 265, 266, 269Гиппократ 13, 306Гиффорд П. 87Глизманенко Д. 286Глушко В. 273Годдард Г. 273, 312.-Головкин Н. 197Горри Д* 77-80,89, 124, 165, 213 二Горьков Л. 266' JГрассман П. 282亠Гродзинский В. 115Гук Р. 23кГюйгенс X. 23,139Гюллен В. 76, 114, 208Дальтон Д. 26, 30,77Дарвин Ч. 58, 77Дарвин Э. 58, 77Д Арсонваль Ж. 130, 134, 159, 166, 226,227, 283, 291Даунт Д. 255Дебай П. 234-237Делиль Ж. 24Демокрит 26ДеХаас В. 234, 244, 245, 248Джиок У. 234—238Джоуль Д. 60, 61,125Дирак П. 245Дюар Д. 117-119, 127, 130-137, 140-142Дюма М. 64Дэви Г. 36,35Гейландт П. 171Гей-Люссак Д. 59, 77,94 .Гелиогабал 13, 212Гельмгольц Г. 108,109Гепперт Г. 201, 203Герике Отто фон 22, 35Гершель Д. 77Гесс А. 166Гинзбург В. 265, 266, 269Гиппократ 13, 306Гиффорд П. 87Глизманенко Д. 286Глушко В. 273Годдард Г. 273, 312.-Головкин Н. 197Горри Д* 77-80,89, 124, 165, 213 二Горьков Л. 266' JГрассман П. 282亠Гродзинский В. 115Гук Р. 23кГюйгенс X. 23,139Гюллен В. 76, 114, 208Дальтон Д. 26, 30,77Дарвин Ч. 58, 77Дарвин Э. 58, 77Д Арсонваль Ж. 130, 134, 159, 166, 226,227, 283, 291Даунт Д. 255Дебай П. 234-237Делиль Ж. 24Демокрит 26ДеХаас В. 234, 244, 245, 248Джиок У. 234—238Джоуль Д. 60, 61,125Дирак П. 245Дюар Д. 117-119, 127, 130-137, 140-142Дюма М. 64Дэви Г. 36,35
Гейландт П. 171
Гей-Люссак Д. 59, 77,94 .
Гелиогабал 13, 212
Гельмгольц Г. 108,109
Гепперт Г. 201, 203
Герике Отто фон 22, 35
Гершель Д. 77
Гесс А. 166
Гинзбург В. 265, 266, 269
Гиппократ 13, 306
Гиффорд П. 87
Глизманенко Д. 286
Глушко В. 273
Годдард Г. 273, 312.-
Головкин Н. 197
Горри Д* 77-80,89, 124, 165, 213 二
Горьков Л. 266' J
Грассман П. 282亠
Гродзинский В. 115
Гук Р. 23к
Гюйгенс X. 23,139
Гюллен В. 76, 114, 208
Дальтон Д. 26, 30,77
Дарвин Ч. 58, 77
Дарвин Э. 58, 77
Д Арсонваль Ж. 130, 134, 159, 166, 226,
227, 283, 291
Даунт Д. 255
Дебай П. 234-237
Делиль Ж. 24
Демокрит 26
ДеХаас В. 234, 244, 245, 248
Джиок У. 234—238
Джоуль Д. 60, 61,125
Дирак П. 245
Дюар Д. 117-119, 127, 130-137, 140-142
Дюма М. 64
Дэви Г. 36,35
Гейландт П. 171
Гей-Люссак Д. 59, 77,94 .
Гелиогабал 13, 212
Гельмгольц Г. 108,109
Гепперт Г. 201, 203
Герике Отто фон 22, 35
Гершель Д. 77
Гесс А. 166
Гинзбург В. 265, 266, 269
Гиппократ 13, 306
Гиффорд П. 87
Глизманенко Д. 286
Глушко В. 273
Годдард Г. 273, 312.-
Головкин Н. 197
Горри Д* 77-80,89, 124, 165, 213 二
Горьков Л. 266' J
Грассман П. 282亠
Гродзинский В. 115
Гук Р. 23к
Гюйгенс X. 23,139
Гюллен В. 76, 114, 208
Дальтон Д. 26, 30,77
Дарвин Ч. 58, 77
Дарвин Э. 58, 77
Д Арсонваль Ж. 130, 134, 159, 166, 226,
227, 283, 291
Даунт Д. 255
Дебай П. 234-237
Делиль Ж. 24
Демокрит 26
ДеХаас В. 234, 244, 245, 248
Джиок У. 234—238
Джоуль Д. 60, 61,125
Дирак П. 245
Дюар Д. 117-119, 127, 130-137, 140-142
Дюма М. 64
Дэви Г. 36,35
ющей среды дала 1)2 единицы отопительной теплоты посредством затраты только 0,2 единиц работы! Коэффициент преобразования здесь составит ц = 1,2/0,2 三 6.
Это значение относится, разумеется,- к идеальному случаю (цикл Карно). В реальных условиях при КПД теплового -насоса т] = 0,35-^0,4 и = 2,1+2,4.
Но и при таких показателях тепловой насос остается энергетически выгодным. Ведь получение такого же результата прямым электрическим или огневым нагревом потребовало бы затраты в 2,1-2,4 раза больше. В реальных условиях, когда часть теплоты теряется, эта разница еще возрастает. Выгода очевидна!
Тепловые насосы постоянно совершенствуются и находят все большее применение для отопления отдельных зданий, микрорайонов, ферм и т.д. Они дают наряду с теплофикацией большую экономию топлива.
Особенно эффективны они тогда, когда в качестве источника теплоты используются сточные воххы, более теплые, чем окружающая среда. Тогда ц будет еще выше. Так, холодильная техника показала* свои возможности в новой? "теплой" области, где, казалось бы, ее применение не имеет смысла.
Как это часто бывает при увеличении техническими новинками, находятся изобретатели - энтузиасты, идеи которых переходят границы реально возможного. Так произошло и с тепловыми насосами. Восхищенные тем фактом, что ц теплового насоса выше единицы (та превышает 100 %) они решили, что это прообраз вечного двигателя, работающего ”за счет неограниченного количества теплоты окружающей среды" и имеющего КПД больше 100 % [7, 18]. Это, разумеется, ошибка, основанная на непонимании того простого факта, что ц- это совсем не КПД, который, как мы видели, не превышает 40 %. Но, если бы даже он был 100 %, из теплоты, даваемой тепловым насосом, можно было бы получить лишь ровно столько же работы, сколько было затрачего на его привод. Однако, если даже отбросить эти ,,ненаучно-фантастическием идеи, тепловой насос -тепловое детище холодильной техники 一 входит в современную энергетику как ее существенно важный элемент.
Обо всем, что описано в этой книге, можно было бы рассказать еще много интересного и поучительного. К сожалению, она всего этого вместить не может. Что касается перспектив, то время покажет, как и какие направления низкотемпературной техники будут развиваться на пользу людям в оставшиеся годы XX в. и в дальнейшем. 328
УКАЗАТЕЛЬ ИМВ1
Абрикосов А. 266
Агрикола Т. 213-
Александр Македонский 12
Аллен Л. 86,89
Амонтбн Г. 28, 29, 31, 33
Андроникашвили Э. 234, 262—263
Аристотель 25
Афанасьева-Эренфест Т.А. 245
Бардин И. 286
Беднорц Д. 269
Беляев А. 219, 292
Бернулли Д. 28
Бертолле К. 242
Блок А. 165
Блэк Д. 26, 27, 29, 33, 34,47
Боголюбов Н. 266
Болдуин С. 250
Бойль Р. 35, 62
Бор Н. 262
Борн М. 245
Браун И. 31
Браун фон В. 273
Бунзен Р. 110,139
Бушеро П. 226, 227
Бэкон Ф. 9, 18, 19, 25, 53, 212
Ван-дер-Ваальс И. 139,141
Ван-Марум М. 33,139
Вант-Гофф Я. 139-
Верн Ж. 172
Виллафранка Б. 18
Виндхаузен Ф. 86,89, 182,183, 187
Вольф X. 27
Вроблевский 3. 74,105—108, Ш—113 115-117,133-134
Гадолин Ю. 236
Галилей Г. 21, 25, 26$ 28
Гаррисон Д. 93, 94, 101, 199
Жирар П. 64
Жолио-Кюри Ф. 104
Ибн-Ал-Усобия 18
Ишкин И. 286
Иоффе А. 242, 244-245
Кавалло Т. 90
Кавендиш Г. 117, Ш, 173,174, 249
Каганович Л. 272
Кайете Л. 64-67, 73-74, 109-113, 121, 158, 214, 235
Каммерлинг-Оннес Г. 121, 135—144, 230-234, 253,255, 264, 266, 267
Каньяр де-ла Тур 43
Капица П. 234, 241, 244-245, 248-252, 257-260, 271-284,286-289, 307
Карно Л. 242
Карно С. 48-50, 57,77, 100, 237
Карре Ф. 94, 98,1178, 179, 181, 183, 213,187
Карре Э. 181
Кеезом В. 225, 234, 245, 254, 255，
Кирк А. 77, 83-86, 89, 104
Кирхгоф Г. 108,110,139
Клаузиус Р. 48-50, 57, 100, 108
Клод Ж. 158, 159, 164-168, 174, 176-177, 178, 226-227, 271, 272, 277, 279, 283, 298, 302
Клузиус Р. 254
Клуэ Л. 33
Коновалов Д. 148
Комаров Н. 215
Коперник Н. 106
Королев С. 273
Костюшко Т. 1"
Кохан Б. 269, 270
Коцебу 0.221
Крафт Г. 30
Кроуфорд А. 27,30
Кунцлер Д. 266
Купер Л. 266
Кэрриер В. 213
Кюри М. 141
Лавуазье А. 242, 310
Лагранж Ж. 242
Л&з&рев В. 269—270
330
Ламберт И. 30, 31Я
Ландау Л. 109, &,勿 1, ^44-f< 248, 262-265
Лаплас П. 242
Лебедев П. 129
Леблан М. 188
Левенгук Д. 139
Ленин В. 242, 243, 247
Лесли Д. 180,181
Лефевр Ж. 72
Линде К. 100-102, 115, 118-124, 126-129, 146, 152-157, 161-163, 167, 174-177, 183, 187, 205, 212, 272-275, 279, 298, 301, 302, 307
Линней К. 25
Локк Д. 28
Ломоносов М. 24, 26, 27, 241
Лондон Ф. 260, 262,265
Лукреций Кар 26
Луначарский А. 242
Людовик XIV14
Максвелл Д. 109
Малков М. 286
Маре А. 90
Маркс К. 290
Матыгин С. 219, 220
Махди 13, 212
Марциал 13
Маяковский В. 89
Мейснер В. 234, 264, 265
Межлаук В. 151,152
Менделеев Д. 42,43, 61,119,148, 256
Мендельсон К. 132, 255
Монж Г. 33, 242
Мороз А. 286
Морозов И. 128,129
Мунтерс К. 201
Мюллер А. 269
Нассири Хоеров 13
Нейрн Г. 180
Нернст В. 234
Ньютон И. 27,131
Оберт Г. 273, 312
Ольшевский К. 74, 105—109, 110—119
Орджоникидзе С. 24€
Оффенбах Ж. 172
Пайерлс Р. 2€5
Папин Д. 34
Перкинс Я. 91—93,183
Пешков В. 234
Пикте Р・ 64, 69-73, 11, 113^ ^ £嬲
214,135
Пикте М. 16, 58, 59,77
Планк М. 245
Платен фон Б. 201
Порта Б. 18,153
Пуассон С. 59
Пушкин А. 270
Рамзай У. 117,139,173,174
Резерфорд Э. 174, 249
Реомюр Р. 24, 26, 27
Рихман Г. 24, 26, 27
Ричард Львиное с®дце 13
Рубинин П. 249
Руски А. 9
Рэлей Д. 117,1 方
Рэнкин Д. 213
СХпадин 13
СвартеФ. 191
Свифт Д. 32
Сен-Клер Девиль 6$, 67, % fg
Сенека 13
Сикорский И.И. 242
Сименс В. 81, 82,10L121J就 MS；
167, 274
Симон Ф. 253
Скотт В. 13
Сноу Ч. 243, 24s
Стирлинг Р. 82,29^-^00
Супук Г. 199, 200
Танкредус Л. 18
Тамм И. 245
Твиннинг А. 93
Тевено Р. 312
Телье X. 99,101
Тилорье К. 37, 38, 40, 60, Н2,190
Тиндаль Д. 94
Тиссца Л. *260, 261
Толль Э. 221
解
Томсон-Кельвин У. 48, 50, 55, 57,硼 61, 87, 94,125, 213
Треверс М. 138,173
Тревитик Р. 78
Тухачевский М. 312
Тюдор Ф. 220
Умов Н. 128, 129, 241, 275
Фарадей М. 36-38, 40Т& 57, 58, 69,
94, 120, 132, 182, 319
Фаренгейт Г. 23, 27
Фейнман Р. 262
Филон Александрийский 20
Франциск I 17
Френкель М. 274, 275, 297
Фурье Ж. 27
Хаузен Г. 282, 283, 289
Хрущев Н. 289
Хэвисайд 0.131
Хэмпсон В. 118, 124, 126, 130, 135-133, 167, 304
Цандер Ф. 273, 313
Цейсс К. 101
Цельсий А. 24
Циолковский К. 273, 311—314
Цыдэик В. 195
Шальников А. 265,307
Шмидт О. 243
Шредингер Э. 245
Шриффер Д. 266
Штремер Е. 24
Эванс О. 90
Эйлер Л. 27, 28
Эйнштейн А. 243, 245,302
Энгельс Ф. 290
Эндрюс Т. 42-44, 65, ИЗ
Эренфест П. 245
Ювенал 13
Юдин С 306
Ягайло В. 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
--1. Мендельсон К. На пути к абсолютному нулю. М.: Атомиздат, 1971.
Крузе А.С- Мастера рукотворного холода. М.: Пищевая промышленность,i 1980.'
Бражников АМ, Каухчешвили ЭЛ. Холод. Введение в специальность. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.
Грачев А«Б” Калинин НЭ. Получение и использование низких температур. М.: Энергоиздат, 1981.
Фр&дков АБ. Что такое криогеника. М.: Наука, 1991.
Бурмин Г.С. Штурм абсолютного нуля. М«: Детская литература, 1983.
Бродянскии В«М. Вечный двигатель прежде и теперь. М.： Энергоатом- издат, 1989.•
Карцев ВЛ. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1988.
фен Дж. Машины, энергия» энтропия: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Г. Рудого. М.: Мир, 1986.
Катода ПЛ. Письма о науке. М.: Московский рабочий, 1989.
И. Капица ПЛ. О науке и власти. М・：Правда, 1990.
Двигатели Стирлинга: Сб. статей / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Мир, 1975.
Поплавский В^А.Лриродный холод. Киев: Наукова думка, 1989.
Андроникошвили ЭЛ. Воспоминания о жидком гелии. Тбилиси: Тапатле- ба, 1980,
Беляев А-P. Продавец воздуха. Собр. соч. М.: Молодая гвардия, 1976, Т.4.
Бродянский В«М. Сади Карно. М.: Наука, 1993.
Гьрелик ГХ. Моя антисоветская деятельность // Природа. 1991. №.11. С 95—104
Бродянский B.WL Энергия: проблема качества // Наука и жизнь. 1982. № 3・ С. 88-95.
ОГЛАВЛЕНИЕ
предисловие
Введение；
Глава первая. Предыстория освоения холода (с древнейших времен до конца ХУШв.)
Естественное**охлаждение
Первые шаги Искусственного** охлаждения
Термометрия и тепло
'Наиниэшая степень холода"
Глава вторая. Начало эксп^>иментальной физики »r—p»t температур &х^вая пожюина XIX в.)
ZL Ожижение *^тостоянныхп газов
Критическая и тройная точки. Абсолютная шкала температур .... /
Новые способы охлаждения
Первый прорыв в область криотемператур Ломанное” ожижение кислорода и азота
Глава третья. Первые шаги холодильной техники (первая полош наХ1Хв.)....—
Искусстеенный лед вытесняет природный
ГаэЬвые (воздушные) холодильные машины
Паровые (парокомпрессионные) холодильные машины
Глава четвертая. От низкотемпературной фкятс к ЖфиогйшоА технике (вторая половина XIX -начало XX в.)
Криогенная техника догоняет холодильную
Дросселирование показывает свои возможности в криогенике
Последний ^еподдающийся**газ наконец ожижен t., Глава пятая. Криогеника не только ожижает газы, но и разделяет их смеси
От искусства перегонки -к низкотемпературной ректификации …
Энергетика низкотемпературной ректификации
Семейство Ленивых газов * * выходит в свет
Глава шестая. Холодильная техника набкфает сипу и завоевывает 『•；
Холодильная техника совершенствуется
'Холодильная цепь" — от поля до дома
6-3. Что еще может сделать полезного холодильная техника二
Природные холод и лед на службе человеку — дело не только прошлого, но и будущего
230230241252264271271292309317329332230230241252264271271292309317329332
230
230
241
252
264
271
271
292
309
317
329
332
230
230
241
252
264
271
271
292
309
317
329
332
Глава седьмая. КриофизикаXXв
Жидкий гелий. Сверхпроводимость и магнитов охл&цщ^шв -,..
Становление и трудные пути советской криогеники. ...........
Парадоксы жидкого гелия
Сверхпроводимость - разочарования, успехи и надежды
Глава восьмая. Криогенная техника XX в
8.1. Жислородные дела** •
82 От 'L&Kp。'乙 к *^<икро*%сриогенной технике .
8.3. Космос и низкие температуры
Глава девятая. Итоги и перспективы
Указатель имен
Список литературы
Научно-популярное издание
Бродянский Виктор Михайлович
ОТ ТВЕРДОЙ ВОДЫ ДО ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
(история холода)
Редактор И. Н. Сошникова
Художник обложки Ю. С Шлепер
Художественный редактор В. Н Тумин
Технический редактор Н М Брудноя
Корректор З.Е Драноеская
ИБ№3305
ЛР№ 010256 от 07.07.92.
Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с ориншал-злакета 21.10.94. Формат 60 х 881/16. Бумага офсетая № X Печать офсетная. Усл. печ. л. 20,58. Усл. кр.-отт. 21,06* Уч.-изд. л. 20,92. Тираж 2500 экз.. Заказ 1880, С023
Эвергоатомиэдат. 113114. Москва М-114, Шлюзовая наб., 10.
Отпечатано в Московской типографии № 9 Комитета Российской Федерация по леч&ти 109033, Москва, Волочаевская ул., 40.
2 Термин "теплород” ввел в русскую научную литературу М. В. Ломоносов при переводе одного из разделов книги своего учителя X. Вольфа. Переведенный
им шестой раздел книги был назван им ^ольфианская экспериментальная
физика". Перевод Ломоносова стал первым учебником физики на русском языке! Исходный латинский термин "calor” 一 отсюда появились'калориметрия”,
В то время так называли диоксид углерода.
^^^и с отверстиями для прохода пара и патрубками для слива жидкости).
1 О турбодетандерах - детандерах турбинного типа подробно рассказыва' етсяв гл. 7.d
212Ж
500 000 кВт. Наиболее крупные холодильные установки современного типа
имеют почти такие же мощности.
1 В 1934 г., еще не зная о работе Мейснера, это явление открыл Л. Шубников.
1 Нужно отметить, что Капица не хуже другого академика - М. В. Ломоносова 三нал выразительные возможности великого русского языка и умел их использо- ®ать не только в письменной форме, но ив устной речи.
первой мировой войны.
1 В этом книге есть еще много уже сбывшихся прогнозов, вплоть до дыхания воздухом, обогащенным кислородом для лечебных целей.
пературном уровне и производительности не вели к качественным изменениям
в принципах действия и конструкциях.
ратлйя: 2е®пев&ния, но остающиеся жидкими (см. гл. 7).|
322I
工 Вспомним, например, турбодетандер Капицы, родившейся от **теплых** паровой и водяной турбин (см. с. 277—279), или столь же Голодный** регенератор Френкля (с. 274), происходящий от горячих регенераторов метгшлурги- ческих печей. Да и сама парокомпрессионная холодильная установка - это, 口》 существу, паровая машина, пущенная Наоборот**.
Р Напомним, что КПД — коэффициент полезного действия любого устройства преобразования энергии — это отношение действительного энергетического эффекта его работы к тому, который был бы получен, если бы оно было идеальным. Для тепловых и холодильных установок идеальным образцом служит, цикл Карно (см. Первый научный комментарий", с. 47).
ББК 31.31
Б88
УДК 62139.01.001.92
Рецензент В. И. Епифанова
Бродянский В. М.
Б88 От твердой воды до жидкого гелия (история холода).- : М.: Энергоатомиздат, 1995.-336 с.: ил.- (Научнснтопу/йгр- J мая б-ка школьника).j
ISBN 5-283-00176-8
В популярной форме рассказывается об истории развития техники низких температур, ее использовании, а также связанных с ней направлений науки. Показано, . как трудами изобретателей и исследователей разных стран были созданы многочисленные машины и приборы, без которых не могла бы существовать современная цивилизация.
Для широкого круга читателей, интересующихся историей техни- * ки, ее современными проблемами и перспективами развития.
ББК 31Л1ББК 31Л1
ББК 31Л1
ББК 31Л1
© Автор, М© Автор, М
© Автор, М
© Автор, М
ISBN 5-283-00176-8