Сжижение газов. Получение низких и сверхнизких температур. Метод магнитного охлаждения.

Как нам известно, вещество будет находиться в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия его молекул порядка средней потенциальной энергии их взаимодействия. Для газов температура, при которой они сжижаются, достаточно низкая.

Различают два метода глубокого охлаждения газов: метод адиабатного расширения с совершением газом внешней работы и метод, основанный на использовании дроссель-эффекта.

Суть охлаждения газа в первом методе следует из первого закона термодинамики

в выражении которого при адиабатном расширении и т. е.

Последнее неравенство свидетельствует о том, что внутренняя энергия газа при адиабатном расширении уменьшается, что равносильно уменьшению его температуры.

Можно показать, что процесс обратимого адиабатного расширения (с отдачей внешней работы) обеспечивает более эффективное с точки зрения термодинамики охлаждение газа, чем процесс адиабатного дросселирования, т. е. необратимого адиабатного расширения. В настоящее время для сжижения газов используются такие аппараты, в которых метод адиабатического расширения с совершением внешней работы комбинируется с методом дросселирования.

Все известные газы, за исключением неона, водорода и гелия, достаточно легко сжижаются на этих машинах, т. е. их температура инверсии намного выше комнатных. Температуры инверсии неона, водорода и гелия значительно ниже комнатных, поэтому их предварительно охлаждают ( – жидким азотом, – жидким водородом).

Наиболее низкой температурой кипения при атмосферном давлении обладает жидкий гелий: К. Понизить температуру кипения можно откачкой паров гелия. Таким способом получена температура 0,69 К. Дальнейшее понижение температуры оказывается невозможным ввиду легкой испаряемости жидкого гелия, в результате которой насосы не успевают откачивать пары и понижать давление.

Поэтому для получения сверхнизких температур применяют так называемый метод адиабатного магнитного охлаждения. Сущность этого метода основана на том, что энтропия является мерой беспорядка в системе. Мы знаем, что с уменьшением температуры энтропия системы убывает, уменьшается при этом и беспорядок в ней. Однако беспорядок может быть связан и с другим параметром, характеризующим систему. В методе магнитного охлаждения таким параметром выступает степень беспорядка в расположении магнитных моментов молекул некоторых парамагнитных солей типа квасцов. Молекулы этих солей обладают заметным собственным магнитным моментом. При отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент соли вследствие хаотического теплового движения равен нулю. При увеличении интенсивности магнитного поля, налагаемого на соль, элементарные магниты становятся более параллельными направлению магнитного поля, вследствие этого степень магнитного беспорядка уменьшается. Уменьшается при этом и энтропия, связанная с ним.

На рис. 56 изображена зависимость энтропии парамагнитной соли от температуры при отсутствии магнитного поля и при его наличии .

Р и с. 56

Из рис. 56 видно, что при любой температуре энтропия соли при наличии магнитного поля меньше энтропии соли при отсутствии этого поля. Это и понятно, ведь при наложении магнитного поля система имеет меньший беспорядок в ориентации элементарных магнитов, потому ее энтропия меньше.

Представим энтропию парамагнетика как сумму энтропии , связанную с хаотическим тепловым беспорядком, и энтропию , обусловленную беспорядком в расположении магнитных моментов молекул:

.(3.10.1)

Если с параметрами парамагнитной соли провести обратимые изменения в адиабатных условиях, то, как мы знаем, энтропия в этом процессе сохранится постоянной, т. е.

.(3.10.2)

Запишем последнее равенство для двух состояний. Затем вычтем одно из другого. В результате получим

.(3.10.3)

Опыт по охлаждению парамагнитной соли до сверхнизких температур проводится следующим образом. Ее вначале помещают в жидкий гелий и охлаждают до температуры 0,69 К описанным выше способом. Затем включают магнитное поле и при постоянной температуре К намагничивают. Процесс изотермического намагничивания изображен на рис. 56 прямой 12. При этом магнитная часть энтропии уменьшится на величину . Тогда, как следует из равенства (3.10.3), на такую же величину возрастет тепловая часть энтропии, что приведет к повышению температуры соли. Выделяющееся при этом тепло поглощается жидким гелием и, если масса гелия намного больше массы соли, это тепло не приведет к заметному повышению температуры гелия, т. е. процесс 12 останется изотермическим. После этого жидкий гелий сливают, т. е. изолируют соль от жидкого гелия, и медленно (обратимо) адиабатно размагничивают. Процесс размагничивания изображен на рис. 56 (отрезок 23), т. к. при адиабатном процессе . В этом случае магнитная часть энтропии возрастет на величину , а тепловая уменьшится на такую же величину. Это приведет к охлаждению соли до температуры К.

В настоящее время методом размагничивания ядерных магнитных моментов некоторых веществ получены температуры К, а методом, сочетающим лазерное охлаждение и ускоренное испарение, достигнуты температуры К.