Вблизи абсолютного нуля

Когда-то давно люди думали, что переносит тепло особое вещество — теплород. И очень удивлялись, что этот теплород такой разборчивый. Никак нельзя отнять его от холодного тела и передать горячему. А теперь мы знаем, в чем дело. Никакого теплорода нет и в помине. Просто молекулы одного тела двигаются быстрее, чем другого. Если эти тела положить один возле другого, то молекулы горячего тела будут подталкивать молекулы тела холодного. Сами они при этом замедлятся. Так продолжается до тех пор, пока скорости обоих тел примерно не сравняются. И тепловая энергия распределится между всеми молекулами.

Это общее свойство тепловой энергии. Сама собой она переходит только от тел более нагретых к телам менее нагретым.

Вот мы с вами и выяснили, что же такое температура. Она, оказывается, показывает, сколько в теле тепловой энергии, как двигаются его молекулы.

И чтобы понизить температуру, чтобы приблизиться к абсолютному нулю, надо эту энергию по возможности отнять у тела. Тогда оно начнет охлаждаться.

Сейчас мы займемся этой операцией. Получить небольшой холод сравнительно нетрудно. Вот пойти дальше, приблизиться к самому абсолютному нулю — задача потяжелее. Но мы справимся и с ней. Мы — на бумаге. А ученые давно уже достигли самых низких температур. Правда, сразу же возникает недоуменный вопрос. Мы все время говорим, что тепловая энергия переходит только к холодным телам. Горячие лишь остывают. Да и то не сами по себе, а если их поместить рядом с телами похолодней. Выходит, чтобы охлаждать тела, мы всегда должны заранее иметь что-то вроде холодильника?

Это все правильно, тепловая энергия сама по себе, самопроизвольно переходит лишь к телам менее нагретым, перемещается только в одном направлении. А вот специальными способами можно заставить ее путешествовать и в обратном направлении. Можно отнимать тепло и у холодных тел. Но для этого надо тратить энергию. Вот, например, стоит у нас дома холодильник. Он все время включен в электрическую сеть. Электричество работает в холодильнике. И в нем холодно. А попробуй-ка выключи его. Через несколько часов там будет тепло, как в комнате.

Создать низкие температуры трудно, но возможно.

Удержать их нелегко. Ведь кругом находятся теплые, горячие тела. Они рады передать кому-нибудь часть своей энергии. Приходится тщательно оберегать холод.

Если заглянуть внутрь стенок холодильника, можно увидеть там много слоев теплоизоляции. А все для того, чтобы не допустить в холодильник тепла из комнаты, чтобы молекулы воздуха не смогли передать молекулам холодильника часть своей энергии.

Горячие тела тоже очень трудно сохранять горячими. Даже если убрать воздух, и то тела остывают. Вы ведь знаете, что тепло от далекого Солнца идет к нам за миллионы километров пустого безвоздушного пространства.

Тепло от печки передается молекулами воздуха. Воздух около печки прогревается, расширяется, уходит вверх. Его место занимает другая порция. И так идет перемешивание, пока все тепло печки не разойдется равномерно по всей комнате.

Молекулы сильно нагретых тел отдают тепло в виде излучения. У них слишком много энергии. Температура велика, двигаются молекулы очень быстро. И отдают лишнюю энергию порциями излучения. Если поднести ладонь к сильно нагретому телу, то от него так и пышет жаром. Это летят невидимые тепловые лучи. Летят они и от звезд, и от нашего Солнца, летят за многие миллионы километров через межпланетное безвоздушное пространство. Именно таким способом Солнце «отапливает» нашу-Землю. Вся Вселенная заполнена этими «путешествующими» тепловыми лучами.

Сейчас их научились находить, ловить даже, когда их совсем мало.

Есть приборы, которые могут обнаружить даже спичку, зажженную на Луне.

Но тела, нагретые не сильно, почти не излучают. Поэтому защитой низких температур служит вакуум — пространство, лишенное воздуха.

Хлопотливая «жизнь» молекул газа

Про абсолютный нуль ученые узнали, когда стали изучать поведение газов. С другой стороны, газы, так сказать, объект всей техники сверхнизких температур. И все время, пока мы будем заниматься сверххолодом, нам придется общаться с газами. Правда, многие из них быстро меняют свой облик, становятся жидкостями. И наше продвижение к абсолютному нулю мы и будем отмечать тем, что газов останется все меньше и меньше.

Вот, например, воздух. В нем есть углекислый газ, азот, кислород, пять инертных газов. Но стоит его охладить — и углекислый газ выпал твердым осадком. Потом ушел кислород, за ним азот, другие газы.

Только морозоустойчивый гелий — один из инертных газов воздуха — держится до последнего.

Лишь в самых близких покоях Владыки Сверххолода сдался и он. Ни одного газа в мире больше нет! Ледяное безмолвие!

Давайте познакомимся с газами поближе. Пока что пусть они живут в наших обычных земных условиях. И ведут себя, как полагается газам, совсем не подозревая, какая участь им в дальнейшем уготована.

У молекул есть свой свод законов. Мы с ним ознакомились. Но когда они составляют газ, появляются новые законы, действующие лишь для газа. Поскольку нас интересуют газы и мы собираемся с ними долго общаться, выясним, какие это законы. Это тем более интересно, что с помощью одного из них мы в точности определим значение абсолютного нуля — таинственное, на первый взгляд, ничего не выражающее число «минус двести семьдесят три».

Молекулы газа свободны, как ветер. Это мы уже знаем. Их ничто не удерживает вместе. Они мчатся с громадными скоростями, сталкиваясь друг с другом, натыкаясь на стенки сосуда, в котором находится газ. Если сосуд раскрыть, то газ мгновенно покинет его, молекулы разлетятся во все стороны, осваивая новое помещение.

Газ состоит из молекул. И хотя каждая молекула живет своей собственной отдельной жизнью, хотя все они «думают», что никакого отношения друг к другу не имеют, это неверно. Свойства газа как раз и зависят от того, как ведут себя все его молекулы, вместе взятые.

Если у нас в руках твердое тело, то мы сначала смотрим, какое оно на вид, интересуемся формой тела. Затем судим о его весе — тяжелое оно или легкое. И, конечно, говорим о температуре.

Затем можно определить твердость тела — упругое оно или нет, как проводит тепло и многое другое.

Что касается газа, то говорят только о трех его характеристиках. Во-первых, у газа имеется определенная температура. Это мера тепловой энергии газа, мера энергии движения его молекул. Не надо, конечно, думать, что все молекулы двигаются точно с одними и теми же скоростями. Нет, у одних молекул скорость поменьше. Другие — порезвее, быстрее двигаются. Температуру определяет средняя скорость. Допустим, измерили мы скорости всех молекул. А потом сложили эти части и разделили на число молекул.

Это и будет средняя скорость.

Кроме того, газ находится в каком-то сосуде, значит, обладает определенным объемом.

И, наконец, третья величина. Молекулы газа бомбардируют стенки сосуда, во время своих полетов ударяются в стенки. Чем больше таких ударов, чем больше скорость молекул, тем труднее приходится стенкам. Газ сильнее давит на них.

Все эти удары, вместе взятые, создают давление газа.

Итак, температура газа, объем и давление. Вот величины, с которыми связана жизнь газа. Их называют параметрами. Только они не существуют каждая сама по себе.

Возьмем, например, кусок мела. Он может быть большим и маленьким, теплым и холодным.

Но объем куска мела никакого отношения не имеет к его температуре. Вообще говоря, при нагревании твердые тела расширяются, но очень немного. Зато в газах объем, давление и температура связаны между собой. Это легко установить.

Подобные опыты ученые проделали давно.

Еще в средние века, когда физика только становилась наукой, люди, которых интересовали загадки природы, собирались. вместе, рассказывали о своих наблюдениях, спорили, объясняя то или иное интересное явление.

Так рождалась наука — в беседах, спорах, так люди открывали законы природы, подтверждая их опытами, создавая первые формулы.