Учение о критическом состоянии


В 1821 году было сделано интересное наблюдение. Заметили, что при нагревании целиком наполнявшей запаянный сосуд жидкости при определенной температуре она внезапно превращалась в газ. Это было интересно, но непонятно. Ученый, наблюдавший это явление, аккуратно и подробно его описал, но так его и не понял. Не поняли этого явления и другие ученые того времени. Факт этот так и остался бы незамеченным, если бы им не заинтересовались два гениальных мыслителя XIX столетия: русский естествоиспытатель и химик Менделеев и английский физик Фарадей. Они не только поняли этот факт, но и сделали из него далеко идущие выводы. Мало того, Менделеев проделал ряд новых опытов, окончательно раскрывших сущность этого явления. В 1860 году Менделеев, изучая переход жидкости в газ при уже описанных условиях, указал, что теплота испарения жидкости постепенно падает и доходит до нуля как раз в точке внезапного перехода жидкости в газ. Эту температуру перехода Менделеев назвал «точкой абсолютного кипения». Стало ясно, что выше этой температуры между газообразным состоянием вещества и жидким его состоянием нет принципиального отличия. При этой температуре вещество очень быстро переходит из жидкого состояния в газ и обратно, не изменяя своего объема.

Через два года после Менделеева другой ученый, английский физик Эндрюс, начал свои систематические исследования непрерывного перехода жидкостей в газ и обратно. Основываясь на исследованиях своих предшественников и главным образом Менделеева, а также исходя из своих обширных и с большой тщательностью проведенных исследований, он пришел в итоге к тем же выводам, что и Менделеев, изложив эти выводы в виде строго разработанной, покоящейся на обширном опытном материале теории непрерывного перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Эндрюс писал, что если какую-либо жидкость нагреть до температуры, при которой состояние жидкости не отличается от газообразного состояния вещества, то есть выше Менделеевской точки абсолютного кипения, то переход газа в жидкое состояние невозможен, как бы ни было велико давление, под которым находится газ. Это было важнейшим для техники выводом.

Стало окончательно ясно, почему не сжижались «постоянные газы». Они находились при температуре выше их точки абсолютного кипения, или, как назвал ее Эндрюс и как теперь принято называть ее в науке, выше их критической точки.

Для воздуха эта критическая температура равна —140,7 градуса по Цельсию, то есть при температуре даже, например, минус 140 градусов, под каким бы давлением мы ни сжимали воздух, он в жидкость превратиться не может. Наоборот, при температуре —140,7 градуса воздух уже при давлении 38,4 атмосферы можно полностью превратить в жидкое состояние. Таким образом, чтобы превратить постоянные газы в жидкости, не нужны даже особенно высокие давления, как предполагали ранее, но зато совершенно необходимо достигнуть температуры ниже их критической точки.

Удача Фарадея при сжижении им различных газов заключалась в том, что критические температуры этих газов были сравнительно велики и он их легко достигал при помощи обычных холодильных смесей. Критическая температура воздуха, как мы знаем, равна —140,7 градуса по Цельсию, азота еще ниже —147,1 градуса, водорода —239,9 градуса, а гелия даже — 267,9 градуса. Это настолько низкие температуры, что, для того чтобы их достигнуть, нужно было найти особые приемы и способы, найти новые свойства газов, которые позволили бы применить и использовать эти свойства для достижения столь низких температур.

Произошло это не сразу. Со времени открытия Менделеевым критической точки проходит 16 лет громадного и упорного труда многих ученых различных стран, прежде чем впервые в лабораторных условиях в 1877 году получили жидкий воздух. В промышленных условиях это удалось сделать лишь еще через 18 лет, то есть в 1895 году.