И если эти скорости велики, как газ ни сжимай, все равно не заставишь молекулы присоединиться друг к другу, стать жидкостью.

Облака в чистом небе

Сегодня с утра была прекрасная погода. А днем стали появляться облака. Одно за другим, где-то высоко в небе скапливались они, чтобы затем покрыть все небо густым слоем. К вечеру начался дождь.

Почему образуются облака? Это явление интересовало еще ученых Древней Греции и Древнего Египта. Они научились хорошо разбираться в различных явлениях природы, даже предсказывать их. Но вот на вопрос, почему так происходит, ответить не могли.

Только сейчас, когда науке известно, как ведут себя газы, ученые разобрались в процессе образования облаков. Основой этого процесса служат испарение и конденсация воды. Это понятно, так как облака состоят из капелек воды. Как эта вода попала туда, вверх, в верхние слои воздуха? Конечно, вместе с воздухом.

В воздухе всегда имеется вода. С поверхности всех водоемов, все равно Тихий океан это или блюдечко, стоящее в вашей комнате, вода испаряется. Так появляются водяные пары. Это и есть водяной газ. Утром в летнее время на траве выступают блестящие капли. Вода-роса. Откуда? Из воздуха. Днем жарко, много воды испаряется. Ночью температура падает. Начинается конденсация водяного пара — на крышах, на траве, на деревьях появляются капли росы, капли сконденсировавшейся жидкости.

Но при образовании облаков происходят явления похитрее. И самое интересное, что именно эти явления приведут нас в страну сверххолода, страну бывших газов, ставших жидкостями.

Тепловая энергия переходит от одного тела к другому. Мы знаем, что происходит это всегда и всюду. Очень трудно удержать тепло или, наоборот, не допустить приток тепла к какому-нибудь телу.

Но представьте себе, что мы этого добились. Создали такой сосуд, который не обменивается тепловой энергией с окружающим миром.

В сосуде находится газ. А наш сосуд обладает одной любопытной особенностью. Он как гармошка может сжиматься или расширяться. По нашему желанию.

Вот мы и выскажем желание — пусть сосуд расширится. Газ должен занять новый, большой объем. Для этого его молекулам придется преодолеть силы притяжения со стороны других молекул. Раз объем газа станет большим, значит, молекулы должны быть на больших расстояниях друг от друга. Иными словами, газу надо совершить работу.

Работа газа при этом будет невидимая, внутренняя, так как она направлена против внутренних сил — сил притяжения молекул. Для работы газу нужна энергия. Откуда ее взять? Никакого притока тепла со стороны не может быть. Значит, единственная возможность для газа — покопаться в собственных кладовых, отдать какую-то часть энергии из своих запасов.

Эти запасы и есть внутренняя энергия газа. Естественно, что она должна уменьшиться. А газ, расширяясь таким образом, охладится.

Процессы, которые происходят без обмена тепла с другими телами, физики называют адиабатными. Газ в нашем примере расширился именно адиабатно.

Газы — плохие проводники тепла. И если какие-то изменения в газе происходят быстро, то приближенно можно считать и этот процесс адиабатным.

Вот теперь можно вернуться к облакам. От земли поднимается большая масса воздуха. В этом воздухе имеются водяные пары. Поднимаясь вверх, воздух расширяется, так как над землей давление атмосферы меньше. А еще Бойль и Мариотт показали, что в этом случае газ должен расшириться.

Расширение происходит быстро. Значит, можно сказать, что процесс приблизительно адиабатный. И температура газа падает. А раз упала температура, часть водяного пара перейдет в жидкое состояние. Ненасыщенный пар станет насыщенным. Вот и появились маленькие капельки воды, которые потом в конце концов сливаются в большое облако.

Так охлаждается газ при адиабатном расширении. Мы убедимся дальше, насколько важен этот процесс.

С адиабатным сжатием мы все хорошо знакомы. Не верите?

Сейчас я это докажу.

Каждый из вас, разумеется, играет в футбол и волейбол. Так ведь? Даже странно задавать подобные вопросы. И мячи не раз надували. Вспомните, что происходит, если проделать это достаточно быстро. Нагревается камера, не так ли? Вот он — адиабатный процесс. Ртом мы забираем порцию воздуха и загоняем ее внутрь мяча. При этом газ сжимается, молекулы сближаются. Их внутренняя энергия увеличивается. А поскольку все происходит быстро, воздух не успевает поделиться теплом с окружающим пространством и нагревается.

Правда, в действительности полностью процессы адиабатными не бывают. Все-таки любая изоляция пропускает тепло. Как бы газ быстро ни нагревался, он кое-что из своего тепла успеет уделить или, наоборот, воспринять от окружающих тел.

Итак, мы узнали, что, когда газ расширяется адиабатно, он охлаждается. Иногда даже очень сильно. Но все-таки этого охлаждения для очень низких температур не хватит. Тогда ученые нашли еще одну возможность охладить газ. Гораздо сильнее, чем при обычном адиабатном расширении. Натолкнули их на этот эффект все те же пористые материалы.

Опять двое ученых

В 1852 году два английских ученых — Джеймс Джоуль и Уильям Томсон — изучали поведение различных газов.

Газы были очень популярны в лабораториях того времени. Пожалуй, как сейчас атомы. Но надо сказать, что вся атомная физика и теория строения вещества родились лишь после того, как ученые самым тщательным образом исследовали всевозможные явления, происходящие в газах. Это неудивительно. Ведь молекулам газа «дышится» свободнее, чем в жидкостях и твердых телах. Поэтому изучать жизнь молекул удобнее всего именно в газах. Но ученые еще не заглядывали так далеко в глубь вещества. Их интересовали газы как таковые.

В числе других опытов, которые проделывали Джоуль и Томсон (тот самый, что позже стал Кельвином), был, на первый взгляд, странный эксперимент.

Ученые перегоняли газы через пористую перегородку. Вернее, сначала они представляли газам возможность самим совершать это путешествие. А потом подгоняли их с помощью сильного давления. Ученые заметили, что с газами при этом происходят весьма существенные изменения. Чаще всего они охлаждаются. А некоторые нагреваются. Причем это зависит не только от вида газа, но и от его первоначальной температуры. Английские ученые весьма основательно исследовали это явление. И называется оно с тех пор в их честь эффектом Джоуля — Томсона.

Разумеется, за него разом ухватились конструкторы различных холодильных аппаратов. В технике этот процесс именуется дросселированием.

Слово «дроссель» означает регулятор. Дросселями регулируют потоки жидкости, давление в жидкостях. Течет, скажем, по трубе вода. А в середине трубы — заслонка. Она задерживает течение, пускает то больше воды, то меньше. Это и есть дроссель.

Сначала ученые для охлаждения действительно просто перегоняли газы через пористую перегородку. Вроде того самого кувшина, о котором мы говорили, когда знакомились с археологами. Вообще говоря, эта перегородка удерживает газы. Но в ней есть поры. И через поры газ может понемногу просачиваться.

Сейчас используют специальные устройства — вентили. Это узкая щель, которую можно увеличивать или уменьшать. Газ сначала сильно сжимают, а потом пускают через вентиль. Он проскакивает вентиль и расширяется. Тут-то и происходит охлаждение.

И опять-таки понятно почему.

Обмена тепловой энергией с внешним миром нет. Происходит адиабатный процесс. Внутренняя работа, которую газ совершает здесь, гораздо больше, чем при обычном адиабатном расширении. Очень сильно падает давление газа. Газ расширяется резко. Его молекулы удаляются друг от друга на большие расстояния. Кроме того, часть внутренней энергии газа расходуется, чтобы пробраться через щель. И в результате температура падает. Чтобы дросселирование проходило хорошо, нужно одно условие. Чем ниже первоначальная температура газа, тем сильнее он охлаждается, а иногда, как вы знаете, это необходимо, чтобы он вообще начал охлаждаться.