Вблизи абсолютного нуля - Смагин Борис Иванович. Страница 9

Для резкого охлаждения надо добиваться большой разности давлений. Скажем, газ продувают под давлением, в сто раз большим, чем давление газа на другой стороне вентиля. Вот тогда и температура понизится заметно.

Дросселирование как будто совсем незнакомое явление. Но и с ним опять-таки каждый не раз встречался. Правда, небольшой это эффект, но все-таки заметить его можно. Если дунуть на руку через сильно сжатые губы, то рука почувствует холодок. Во-первых, это произойдет из-за того, что руку будет охлаждать сильная струя воздуха. А во-вторых, появится и дросселирование, так как воздух мы пропускаем через вентиль — наши сжатые губы. Давление воздуха во рту гораздо больше комнатного. Не зря же мы так сильно дуем.

Если вдуматься, то нет ничего удивительного, что, проходя перегородку, газ охлаждается.

Вспомните, сколько потов сойдет, пока проберешься сквозь густой кустарник. А, думаете, молекулам газа легче?

«Честный» труд газа

Дросселирование, адиабатный процесс — что-то вроде обходных путей. Мы старались заставить газ совершать внутреннюю работу, отнимали у него тепло необычным образом.

Это все очень интересно. Однако способ дросселирования не такой уж удобный, как кажется. Повышать давление газа надо? Надо. А для этого приходится сооружать специальные громоздкие насосы — компрессоры. Потом, не все газы такие покладистые. Еще Джоуль и Томсон отметили, что они весьма капризны. Одному достаточно комнатной температуры, и можно посылать его к дросселю для охлаждения. А другой требует, чтобы его сначала сильно охладили. В противном случае, пройдя дроссель, капризуля-газ даже нагреется, сумеет забрать тепло со стороны.

А почему бы не подействовать попросту? Дадим газу честно поработать. Пусть себе потрудится «в поте лица своего»! Скажем, пусть он двигает поршень. Самый обыкновенный поршень, какие встречаются во всех двигателях. И в автомобиле, и в мотоцикле, и во всех старых самолетах.

Что там происходит? Взрывается смесь бензина с воздухом. Газ расширяется и резко двигает поршень в цилиндре. А там уже стоит передача, и каждый толчок газа передается колесам.

Неплохо бы такую же работу предложить газу для охлаждения. Пусть поработает. Но здесь надо обязательно как-то изолировать газ, чтобы он не получил помощи извне. Пусть и внешняя работа происходит только за счет внутренней энергии газа.

Короче говоря, опять надо постараться, чтобы процесс был адиабатным.

Так и появились специальные установки для внешней работы газа. Конечно, в этом случае поработает газ на копейку. Но это проделывается лишь для того, чтобы понизить его температуру, охладить посильнее.

В технике охлаждения, а называется она криогенной, у подобных поршней есть свое имя — детандеры.

Общий вид их примерно одинаков. Во всяком случае, всегда можно догадаться, для чего такое устройство служит.

Имеется цилиндр, а внутри его поршень. Поршень может перемещаться. Но не свободно. Его придерживают. Иногда таким тормозом служит вода. Это — гидравлический тормоз. Чтобы столкнуть поршень, газу надо преодолеть сопротивление воды, сдвинуть ее с места. «Это можно сделать — только соверши работу, охладись» — так говорит газу вода.

Пожалуй, чаще встречаются тормоза электромагнитные. Противодействует работе газа обычный маленький электромагнит.

А дальше все происходит так же, как и с тормозом гидравлическим. Газу ведь все равно, что там мешает работать, почему поршень сопротивляется его усилиям. Дело газа — давить на дно поршня, двигать его и… охлаждаться.

Некоторые, конечно, удивятся. Зачем придерживать поршень? Пустить его свободно. Но ведь наша задача — заставить газ работать посильнее, чтобы он тратил побольше энергии. Поэтому мы и создаем всяческие неприятности, «ставим палки в колеса».

В детандерах лучше, удобнее охлаждать газы. Правда, здесь приходится совершать лишнюю работу — «снабжать» энергией тормоз поршня. Но эта работа окупается хорошим охлаждением.

Кроме того, у детандеров есть еще одно важное преимущество перед дроссельными установками. Не надо газ ни сильно охлаждать предварительно, ни загонять в мощные компрессоры для сжатия. А детандерам нужно лишь некоторое предварительное охлаждение. Немного увеличить давление газа тоже неплохо. Но это уже дело нехитрое.

В технике существует много разных видов детандеров. Их описания занимают толстые книги. Но вот один из них нам особенно важен.

Потому что сделал его впервые замечательный советский ученый академик Петр Леонидович Капица.

И называется этот детандер турбодетандером.

С Петром Леонидовичем Капицей мы познакомимся, когда посетим институт, который он организовал, институт, где академик Капица — бессменный директор.

Это основной мировой научный центр по сверххолоду — Институт физических проблем. Там работают экспериментаторы, замечательные отважные исследователи «странного мира» сверхнизких температур. И теоретики, объясняющие чудеса этого странного мира. Инженеры института создают прекрасные установки, с помощью которых можно получать сверхнизкие температуры. Именно здесь П. Л. Капица создал первый турбодетандер.

Это устройство отличается от всех прочих детандеров одним — вместо поршня стоит там маленькая турбинка.

Удобно ли это? Да, конечно! Турбинка занимает меньше места, установка компактнее. Кажется, выгода невелика. Что же, в лабораториях жилищный кризис, что ли? Но когда речь идет о температурах, уже совсем близких к абсолютному нулю, чем меньше установка, тем лучше. Ее легче изолировать от окружающего тепла.

С турбинами удобнее работать, так считают ученые. Обычные детандеры гораздо капризнее. Наконец, у турбин больше коэффициент полезного действия. Они экономичнее и выгоднее.

Петр Леонидович Капица высказал еще одну очень интересную мысль. Он сказал, что турбодетандеры надо в первую очередь использовать для сжижения воздуха. И вот почему.

Воздух — газ. Но в холодильных машинах он попадает в особые условия. И в этих условиях воздух больше напоминает не газ, а… воду. Он ближе к воде по своим свойствам. Поэтому резонно использовать водяные турбины, строить детандеры вроде обычных турбин наших гидроэлектростанций, которые вырабатывают электрический ток.

Работает турбодетандер примерно так.

Сначала газ попадает на лопатки турбинного колеса, вращает колесо, отдает часть своей энергии, охлаждается. Но на этом путь очередной порции газа не кончается. Ее ждут специальные каналы. Газ врывается в каналы и расширяется там. Ему предоставлена такая возможность. Расширение адиабатное, газ, естественно, охлаждается еще сильнее. И окончательно обессилев, стекает каплями жидкости.

Конечно, вы понимаете, что в холодильных установках встречаются и дроссели, и детандеры, и турбодетандеры. У всякого есть свои преимущества и недостатки. Часто даже в одной и той же машине дружно работают детандер и дроссельная установка. Они весьма мирно уживаются, даже помогают друг другу.

Самые распространенные холодильные машины поставляют жидкий воздух. Потом уже из него готовят отдельно кислород, азот и другие «жидкости». Правда, странно называть жидкостью вещества, которые мы привыкли «видеть» газами. Но мы сейчас уже на подступах к абсолютному нулю. Поэтому надо привыкать к новому миру.

Минус сто девяносто один градус по Цельсию — 82 градуса Кельвина. Вот где мы сейчас находимся. Это температура жидкого воздуха.

Первая машина жидкого воздуха появилась около семидесяти лет назад. Сделал ее немецкий ученый Карл Линде.

Воздух капает из крана

1891 год. В стране сверххолода большой праздник. Из крана небольшой установки, носящей имя конструктора инженера Линде, падают первые капли новой жидкости— капли жидкого воздуха.

Немецкий инженер в первой машине жидкого воздуха воспользовался эффектом Джоуля — Томсона.