Низкие температуры, пути достижения. История и современность.

Упругость паров жидкостей. Пары насыщенные и ненасыщенные.
На рисунке изображена барометрическая трубка, заполненная ртутью и погруженная своим открытым концом в сосуд со ртутью же. При этом в пространстве Е образуется пустота; известно, что по высоте ртутного столба АВ (приблизительно 760 мм) определяется атмосферное давление. Введем в барометрическую трубку при помощи загнутой пипетки несколько капель какой-нибудь жидкости: воды, спирта и т. д. Эта жидкость, достигнув свободной поверхности ртути, испарится в пустом пространстве Е, и мы увидим, что уровень ртути, под влиянием образовавшихся паров, понизится от первоначального уровня В до нового уровня С. Высота BС определяет силу упругости или давление образовавшихся паров при тех условиях, при которых производится опыт.

Рассмотрим явления, происходящие при нагревании жидкости в открытом сосуде. Известно, что температура этой жидкости будет беспрерывно подниматься до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения, после чего повышение температуры сразу приостано­вится, как бы ни был силен источник нагревания. Изменение физического состояния жидкости, с одной стороны, и, с другой стороны, громадное увеличение ее объема, происходящее во время парообра­зования с преодолеванием противодействия атмосферного давления, требуют затраты значительной энергии, которая получается за счет значительного поглощения тепла. Некоторое отдаленное представле­ние о количестве тепла, затрачиваемого при парообразовании, дает нам то ощущение холода, которое испытывает на себе всякий, вы­ходя из ванны, когда происходит медленное испарение воды, оставшейся на теле.
Исторический экскурс в криогенную технику.

Сжижение простым давлением.
На рисунке показано приспособление Фарадея для сжижения хлора. В колене А запаянной стеклянной трубки помещен сухой гидрат хлора. При нагревании из него выделяется хлор. Конец трубки В помещен в охлаждающую смесь. В нем получается жидкий хлор. Для сжижения таких газов, как хлор или углекислота, их нужно сжать гораздо сильнее, чем пары эфира. Например, чтобы при температуре 20 °С превратить в жидкое состояние хлор, нужно давление 7 атм, а для углекислоты - 60 атм. Это - давления их насыщенного пара при температуре 20 °С.
Однако некоторые из газов (водород, азот, кислород и др.) оказались крайне упорными. Никакое доступное Фарадею охлаждение и давление в несколько тысяч атмосфер не вызывали сжижения этих газов.

Сжижение при помощи одновременного сжатия и охлаждения.
В своем новом аппарате Фарадей не использовал сжатия, получающегося в результате выделения сжижаемых газов, так как газы, которые предполагались к опытной работе и, главным образом, водород, кислород и азот не всегда легко поддавались очистке в его первоначальном примитивном аппарате. В этом аппарате изучаемый газ, предварительно очи­щенный и осушенный, последовательно проходит через два насоса, которые подымают его давление сначала до 16-20 атм., а затем, по мере надобности, до 50; после этого он попадает в U-образную трубку, в которой находится небольшой манометр со сжатым воздухом, предназначенный для определения давления в каждый данный момент, путем перемещения ртутного столба в капиллярной трубке, заполненную воздухом, И - образная трубка окружена охлаждающей смесью Тилорье, а сам аппарат, в случае надобности, может, быть, как это показано на рисунке, помещен под колокол воздушного насоса. С помощью этого аппарата были по­лучены изумительные результаты. Не только упрямившиеся до сих пор газообразные: соляная, бромистоводород­ная, иодистоводородная и кремнефтористо-водородная кислоты, мышьяковистый и фос­фористый водород, а также и этилен были легко сжижены, но даже большинство га­зов, подвергнувшихся этим опытам были заморожены: так, сернистый водород при­нял форму белой кристаллической массы, похожей на камфору; закись азота приняла форму красивого бесцветного кристалли­ческого тела, хлорноватистая кислота - рых­лой, кристаллической массы красного цвета и т. д. А ведь это почти точное и окон­чательное подтверждение пророческого предвидения Лавуазье.

Тщательно откалибрированная трубка Т, вмазана в металлический сосуд А, снабженный винтовой нарезкой, по которой ходит безукоризненно уплотненный сальником винт V. Трубка и часть цилиндра заполнены углекислым газом; часть цилиндра свободная от газа заполнена ртутью, которая при ввинчивании винта V в цилиндр А действует на газ как поршень и перегоняет его мало-по-малу в калибрированную трубку. Вторая система А, Т, V заключает в себе ртуть и воздух и связана с первой посредством трубки С, проходящей ниже уровня ртути. Таким образом, углекислый газ и воздух в каждый данный момент подвержены равным давлениям, и так как воздух, в условиях опыта, достаточно точно подчиняется закону Мариотта, то трубка Т представляет собой ничто иное, как манометр с сжатым воздухом, показывающий в каждый данный момент то давление, которое он испытывает.
Опыты Эндрьюса