Любое вещество – даже относительно холодное, например лед, – содержит определенное количество тепла. Теплота – результат непрерывного движения молекул вещества, которые вследствие своего движения обладают кинетической энергией. Температура вещества характеризует среднюю кинетическую энергию его молекул. Чем холоднее вещество, тем медленнее движутся молекулы. Таким образом, охлаждение, казалось бы, можно продолжать до тех пор, пока молекулярное движение не прекратится полностью. Эта точка температурной шкалы, «абсолютный нуль», представляет для ученых огромный интерес, но на практике она недостижима. При температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые вещества проявляют необычные свойства, такие, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
На диаграмме показаны температуры ниже
точки равновесия между льдом и водой по
двум шкалам – Кельвина (абсолютной) и
Цельсия (стоградусной).
Выбор абсолютного нуля
На шкале Цельсия абсолютный нуль лежит на 273,15°С ниже точки замерзания воды. Его значение можно предсказать на основе изучения поведения газов при нагревании и охлаждении. При нагревании объем V идеального газа увеличивается пропорционально абсолютной температуре Т, если давление поддерживается постоянным. Аналогично изменяется давление газа, если постоянным поддерживается объем. При охлаждении происходит обратный процесс в соответствии с уравнением pV = RT, где R – универсальная газовая постоянная. В действительности давление убывает на 1/273,15 долю при уменьшении температуры на 1 °С. Иначе говоря, при температуре -273,15°С должен быть достигнут нуль давления, эта же точка должна быть абсолютным нулем температуры.
Абсолютный нуль принимают за нулевую точку отсчета на шкале температур Кельвина, получившей свое название в честь английского физика Уильяма Томсона, лорда Кельвина (1824-1907). Единичный интервал температур на этой шкале равен градусу Цельсия: так 0 К соответствует -213 С (абсолютный нуль обычно округляют до -273°С), а 273 К совпадает с точкой замерзания воды при 0°С.
На пути к абсолютному нулю
Температуру газа можно понизить, если сначала повысить давление при фиксированном объеме, а выделившееся тепло удалить, например, посредством водяного охлаждения. Если затем газ выпустить в большой объем, он станет еще холоднее, потому что при расширении кинетическая энергия его молекул уменьшится. Этот цикл используют в холодильнике, он позволяет сжижать и даже замораживать многие газы.
Для экспериментов, проводимых при очень низких температурах, чаще всего используют гелий, обладающий самой низкой точкой кипения 4,2 К ( -269°С). Далее температуру жидкого гелия можно понизить до 1 К, откачивая вакуумным насосом газообразный гелий, имеющийся над жидкостью; в результате его давление уменьшается и тем самым понижается температура кипения. Жидкий гелий обычно производят на установках по сжижению воздуха; он остается наряду с другими редкими газами после того, как кислород и азот уже превращаются в жидкость.
А
Б
В установке для сжижения гелия – ее можно расположить на автомобиле (А) – смесь газообразного
гелия с воздухом сжимается, а выделяющееся при этом тепло удаляется. Помимо кислорода и азота
воздух содержит инертные газы: аргон, неон, криптон и ксенон. При температуре около 20 К все газы,
кроме гелия, сжижаются, и их удаляют (Б). Оставшийся гелий расширяется через сопло и затем
сжижается.
Достичь охлаждения ниже 1 К чрезвычайно трудно. Для этого используется эффект понижения температуры, происходящий в некоторых твердых телах. Известно, что некоторые соли, будучи помещенными в сильное магнитное поле, ведут себя как магниты, но теряют магнитные свойства при удалении поля. Это явление называется парамагнетизмом. Когда соль намагничена, магнитные моменты ее молекул выстраиваются вдоль поля. .Если парамагнитное тело охладить до температуры 1 К испарением жидкого гелия, то оно потеряет тепловую энергию. Когда затем включают сильное магнитное поле, магнитные моменты выстраиваются по полю и своим движением создают тепло. Его удаляют, откачивая окружающий гелий. При последующем отключении поля молекулы вновь располагаются беспорядочно, что приводит к дальнейшему уменьшению температуры тела. Охлажденное таким образом твердое тело может забирать тепло у другой емкости с гелием. Чередование намагничивания и размагничивания позволяет получать температуры, равные нескольким тысячным долям Кельвина.
Для достижения температур ниже 1 К (-272°С) используется
явление, называемое адиабатическим размагничиванием
парамагнитных солей. Эти вещества ведут себя как магниты
только в сильном магнитном поле, которое выстраивает моле-
кулярные магниты. Если в ходе этого процесса не происходит
обмена теплом, то его называют адиабатическим. Когда моле-
кулярные магниты выстраиваются в определенном порядке,
их энергия уменьшается, излишек энергии передается соли,
ее температура поднимается выше 1К. Для охлаждения соли
используется жидкий гелий. Если соль затем размагнитить,
молекулярные магниты вновь расположатся в беспорядке,
при этом температура соли падает ниже 1К.
Обычно молекулы парамагнитной соли находятся
в хаотическом движении даже при температуре
1К (-272°С). Пока молекулы ведут себя так, соль
не проявляет магнитных свойств. Однако, если
соль поместить в магнитное поле (А), молекуляр-
ные магниты выстраиваются вдоль поля и соль
превращается в массивный магнит с северным и
южным полюсами. При выключении поля (Б) неупо-
рядоченность молекул восстанавливается.
А
Б
Жидкий воздух имеет температуру 83 К (-190°С); помещенный в него цветок становится
абсолютно твердым, ибо любая жидкость в его клетках замерзает (А). Такой цветок можно
вдребезги разбить ударом молотка (Б). Жидкий воздух используется в промышленности для
охлаждения различных веществ и для получения кислорода и азота.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость
Мало того, что жидкий гелий трудно охладить до очень низкой температуры – он и ведет себя при этом весьма необычным образом. Когда давление пара падает, жидкий гелий быстро закипает, но при температуре 2,18 К внутри гелия внезапно прекращается образование пузырьков, хотя кипение продолжается. Ниже этой так называемой ламбда-точки жидкий гелий обнаруживает «сверхтекучие» свойства.
Другие вещества вблизи абсолютного нуля также проявляют необычные свойства. Например, движение зарядов, образующих электрический ток, приобретает в некотором роде характер «вечного движения». Это явление, наблюдаемое в металлах, называется сверхпроводимостью. При понижении температуры (например, у свинца до 7,2 К) электрическое сопротивление металла полностью исчезает. Если в кольце из такого металла создать электрический ток, то он будет течь не ослабевая. Такой неослабевающий ток удалось наблюдать в течение нескольких лет.
Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (1853-1926). Теоретически ее можно было бы использовать в запоминающих устройствах ЭВМ: однажды заложенная в сверхпроводник информация останется без изменений. Достаточно сильное магнитное поле способно разрушить сверхпроводящее состояние, этот эффект можно использовать для повышения быстродействия переключателей тока. Поскольку сверхпроводящий материал обладает нулевым электрическим сопротивлением, через него могут течь очень сильные токи. Поэтому сверхпроводящие обмотки электромагнитов используют для получения предельно сильных магнитных полей.
Жидкий гелий, охлажденный ниже точки кипения, ведет
себя необычно. Если пробирку окунуть в жидкий гелий
(А) при температуре 2,18 К (-270,97°С), невидимая пленка
жидкости поднимется по внешней стороне пробирки и затем
«нырнет» внутрь ее. Гелий будет наполнять пробирку до
тех пор, пока уровни жидкости внутри пробирки и вне ее
не сравняются. Если пробирку поднять (Б), «сверхтекучий»
гелий вытечет. При этом со дна пробирки будут падать
капли. Толщину пленки жидкости можно измерить с помощью
поляризованного света; она составляет около трех миллион-
ных долей сантиметра на высоте 1 см от уровня жидкости.
А
Б
Сверхпроводящие магниты (А), используемые в ускорителях элементарных частиц (Б), созданы физикой низких температур. Обычно в
сильном магнитном поле сверхпроводимость исчезает, однако материалы, А подобные сплаву ниобия с цирконием, имеющему искаженную
кристаллическую структуру, остаются сверхпроводящими в магнитных полях величиной вплоть до 100 тыс. гаусс.