Николай Глухов - Беседы о физике и технике

И вот не прошло и ста лет, как из этих открытий возникла целая наука — физика низких температур , а затем и обширная область — техника низких температур .

Изучение явления сверхпроводимости и других свойств веществ при низких температурах интенсивно продолжается и в наши дни, составляя одно из важнейших направлений физики и техники современности.

Основоположником теории физики низких температур стал дважды Герой Социалистического Труда Нобелевский лауреат акад. Петр Леонидович Капица (1894–1984).

РАССКАЖИТЕ ПОДРОБНЕЕ ОБ ЭТОМ УЧЕНОМ.

Окончив в 1918 г. электромеханический факультет Петроградского политехнического института, Петр Леонидович начал свою научную работу в этом институте на кафедре основателя отечественной физической школы акад. А.Ф.Иоффе (1880–1960).

В 1921 г. П.Л.Капицу направили в научную командировку в Англию. Здесь он работал в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета под руководством прославленного Э. Резерфорда, а с 1924 по 1932 г. был его заместителем по лаборатории. Уже в те годы у П. Л. Капицы проявился характерный для него революционный подход к любой проблеме, за которую он брался, появились первые научные исследования в области явлений, протекающих в сильных магнитных полях и при низких температурах.

Крупные успехи П. Л. Капицы побудили Лондонское Королевское общество организовать в 1930 г. специальную лабораторию для работы в области низких температур и в сильных магнитных полях, директором которой был назначен Петр Леонидович.

Вернувшись в 1934 г. из Англии в Москву, он организовал Институт физических проблем, который был оснащен полученным из Англии оборудованием, включая и построенные П. Л. Капицей установки. С этого года и до последних дней жизни П. Л. Капица являлся бессменным директором вновь организованного института, вел интенсивную научную и общественную работу. П. Л. Капица был одним из инициаторов создания Московского физико-технического института — одного из ведущих и крупнейших в нашей стране высших учебных заведений.

КАК ПОЛУЧАЛИ НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕ ВРЕМЕНА?

Низкие температуры в 30-е годы начали получать с помощью жидкого гелия на специальных устройствах, работающих на основе эффекта Джоуля — Томсонау — используя охлаждение газа при его дросселировании, т. е. при пропускании газа через вентиль, создававшим большой перепад давления. Охлаждение газа в этом случае связано с его неидеальностыо, и эффект Джоуля — Томсона приводит к охлаждению газа только тогда, когда его температура ниже так называемой температуры инверсии . Для гелия, например, температура инверсии составляет около 15 К, поэтому в ожижителях гелия, работающих на основе эффекта Джоуля — Томсона, необходимо иметь предварительную ступень охлаждения гелия жидким водородом, поскольку температура инверсии у водорода выше, чем у гелия («всего» 100 К).

Рассмотрим несколько подробнее теоретические предпосылки указанного эффекта, возможности получения низких температур и сжижения газов (прежде всего гелия).

Пусть в адиабатном изолированном цилиндре (исключающем теплообмен с окружающей средой) находится идеальный газ (рис. 12).

Рис. 12. В адиабатно изолированном цилиндре газ пропускают через пористую перегородку из одной области в другу ю

Этот газ через пористую перегородку пропускают из области с большим давлением р 1 в область с меньшим давлением р 2 (из-за трения в этой перегородке поток не испытывает завихрений, и газ по обе стороны от нее однороден). При таком расширении идеального газа с перепадом давлений ( р 1 > р 2 ) изменения температуры происходить не должно, так как в этом случае идеальный газ не совершает работы.

НЕ МОЖЕТ БЫТЬ! ВЕДЬ ОБЪЕМ-ТО ИЗМЕНИЛСЯ ОТ V 1 ДО V 2 , А РАБОТА ГАЗА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КАК W = рΔW ?

И все же никакого противоречия здесь нет. Ведь идеальный газ — газ, в котором энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией этих молекул, — существует лишь в нашем воображении. Естественно, если уж молекулы идеального газа не взаимодействовали друг с другом до расширения, то после расширения они не взаимодействуют и подавно (ведь расстояние между молекулами увеличилось еще больше).

Так как процесс адиабатный, то система не получает теплоты извне и не отдает ее через стенки цилиндра ( Q = 0). Из первого начала термодинамики Q = ΔU + W следует, что при Q = 0 W = 0, т. е. ΔU = C VΔT = 0. Так как C V не равно 0, то ΔT = 0, т. е. изменения температуры в идеальном газе не происходит.