Kvant. Газ-жидкость
Кикоин А.К. Газ превращается в жидкость (Из истории физики) //Квант. — 1984. — № 11. — С. 25-27.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Долгое время единственным известным науке газом был атмосферный воздух, который к тому же считался чем-то вроде элемента, составной части всего существующего. И лишь во второй половине XVIII века усилиями многих химиков было установлено, что существуют и другие газы, что сам воздух — это смесь различных по своей природе и свойствам газов. Впрочем слово «газ» тогда не было в употреблении. То, что мы теперь называем газом, тогда называлось «воздухом». Водород — это горючий воздух, кислород — огненный воздух, азот — удушливый воздух, аммиак — щелочной воздух и т. д.
Но в конце XVIII века химики, и прежде всего французский химик Антуан Лавуазье, сумели разобраться в новом своем газовом «хозяйстве». Лавуазье дал всем 20 известным в то время газам имена. Он же предложил слово «газ» в качестве общего наименования всего этого класса веществ. Лавуазье впервые ввел и представление об агрегатных состояниях вещества.
Как превратить газ в жидкость?
О возможности превращения газа в жидкость Лавуазье высказал такую идею: «... Если бы мы могли поместить Землю в некую весьма холодную область, например в атмосферу Юпитера или Сатурна, то... воздух, или по крайней мере некоторые его компоненты, перестал бы быть невидимым и превратился в жидкость. Превращение такого рода открыло бы возможность получения новых жидкостей, о которых мы до сих пор не имеем никакого понятия».
Это было догадкой выдающегося химика, догадкой пророческой. Но нашлась и другая возможность.
Вместо охлаждения — сжатие
В 1792 году нидерландский физик Ван Марум пытался выяснить, справедлив ли закон Бойля — Мариотта («Физика 9», с. 45) для аммиака (ведь и Бойль и Мариотт открыли этот закон, исследуя воздух!). Для этого Ван Марум сжимал аммиак в цилиндре и измерял его давление, которое при этом, естественно, росло. Но неожиданно при давлении около 7 атмосфер (1 атм ≈ 105 Па) давление газа перестало расти, несмотря на то, что объем его продолжал уменьшаться. При этом в сосуде появился жидкий аммиак.
На рисунке 1 сплошной линией показана полученная Ван Марумом зависимость давления газа от объема. Штриховой линией показана зависимость р от V, соответствующая закону Бойля — Мариотта; так вел бы себя воздух. Различие между воздухом и аммиаком разительное. Уже при сравнительно малом давлении в сосуде с аммиаком появляется жидкость и, конечно, насыщенный пар над ней.
Следовательно, насыщенный пар можно получить не только испаряя жидкость в закрытом сосуде («Физика 9», с. 79), но и сжимая газ, конечно, тоже в закрытом сосуде. Опыт Ван Марума показывал как будто бы, что для сжижения газа охлаждение не обязательно, его можно заменить сжатием, повышением давления.
Изобретатель сирены нагревает жидкость
В 1822 году французский физик Каньяр де Латур, известный как изобретатель сирены и автор многочисленных исследований колебаний струны, опубликовал статью, в которой описал опыты с нагреванием жидкостей (спирта, эфира, воды) сначала в запаянном стальном сосуде (сделанном из пушечного ствола), а затем в запаянных толстостенных стеклянных трубках (в стальном сосуде ничего не видно!). Он заметил, что с повышением температуры уровень жидкости в сосуде сначала слегка понижается (жидкость испаряется), а затем повышается (жидкость при нагревании расширяется), при некоторой же температуре граница между жидкостью и паром над ней внезапно исчезает (рис. 2). Отсюда Каньяр де Латур сделал вывод, что при температуре выше той, при которой изчезает граница, вещество в жидком состоянии не может существовать — возможно только газообразное состояние.
Чтобы снова получить жидкость, вещество нужно охладить. Каньяр де Латур и в самом деле для многих веществ наблюдал восстановление границы жидкость — пар при охлаждении трубки. Только для воды он не смог увидеть исчезновение границы — еще до этого лопались трубки.
За дело берется Фарадей
Одним из немногих, кто понял работу Каньяра де Латура как указание на то, что для сжижения газа требуется не только сжатие его, но и охлаждение, был английский физик Майкл Фарадей. Уже в 1823 году он сумел превратить в жидкость хлор. Через 20 лет, в 1844 году, он снова вернулся к работе по сжижению газов. Действуя и охлаждением и повышением давления, Фарадей сумел сжижить сероводород, двуокись углерода, серный ангидрид. Правда некоторые газы, такие, как кислород, азот, водород, упорно не поддавались сжижению. Некоторые исследователи, считавшие, что для сжижения газа достаточно одного давления, подвергали эти газы действию все более высоких давлений. Но тщетно — даже казавшееся в то время чудовищным давление в 3000 атмосфер не принесло успеха. За этими газами прочно укрепилась «репутация» несжижаемых, и их стали называть «постоянными» газами.
Охлаждение обязательно
Однако все больше ученых склонялись к мысли, что для каждого вещества существует такая температура, выше которой оно может находиться только в газообразном состоянии. Так думал Фарадей. К такой же мысли в 1860 году пришел Д. И. Менделеев, который назвал эту температуру абсолютной точкой кипения.
Окончательную ясность в этот вопрос внес английский физик Томас Эндрюс. В 1869 году он опубликовал результаты своих многолетних опытов. Как и Ван Марум, Эндрюс изучал поведение газа при уменьшении его объема и увеличении давления. Но если Ван Марум провел опыт только при комнатной температуре, то Эндрюс проводил опыты при самых разных температурах.
На рисунке 3 сплошными линиями показаны кривые, полученные Эндрюсом. Он тоже наблюдал появление жидкости при давлениях, которым соответствуют горизонтальные участки кривых. Но с увеличением температуры эти давления постепенно повышались, а ширина горизонтальных участков становилась все меньше, пока при некоторой температуре, обозначенной на рисунке 3 через Tк, горизонтальный участок на кривой не исчезал совсем. При этом исчезала и граница между жидкостью и паром — то, что наблюдал еще Каньяр де Латур.
Выше этой температуры, названной Эндрюсом критической температурой, вещество жидким быть не может. Жидкость и насыщенный пар над ней могут наблюдаться лишь в той области давлений и объемов, которая на рисунке 3 ограничена штриховой линией. Если же температура газа выше Tк, то для его сжижения обязательно охлаждение.
После работы Эндрюса стало ясно, что и «постоянные» газы вовсе не постоянны. Просто их критические температуры много ниже комнатных. С этого времени борьба за сжижение «постоянных» газов превратилась в борьбу за получение низких температур. Потребовалось еще 40 лет, прежде чем удалось сжижить все без исключения газы. Так в 1877 году были сжижены азот (Tк = 126,3 К) и кислород (Tк = 154,8 К). В 1898 году был получен жидкий водород (Tк = 33,2 К). Еще через 10 лет, в 1908 году, был превращен в жидкость последний газ — гелий (Tк = 5,2 К). Этим было положено начало развитию одной из важнейших областей физической науки — физики низких температур.
Таким образом, для веществ, обычно известных нам как газообразные, комнатная температура выше их критической температуры. Поэтому они и газообразны. Наоборот, для веществ, которые мы привыкли считать жидкими, комнатная температура ниже их критических температур. У воды, например, критическая температура равна 647,3 К (374,3 °С). Поэтому на Земле вода жидкая. На Венере, планете горячей (температура на поверхности Венеры около 480 °С), рек и морей, похожих на земные, быть не может, даже если бы там и существовало вещество, молекулы которого имели бы состав Н2О.
