Беседы о физике и технике (Глухов, Камышанченко) - страница 14

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 другую

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.

Теперь поместим в цилиндр какой-либо реальный газ. В этом случае адиабатное расширение газа приведет к изменению температуры, так как реальные молекулы всегда взаимодействуют друг с другом и при расширении газа происходит изменение его внутренней энергии.