УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК АДИАБАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ * ВВЕДЕНИЕ

1 1936 г. Т. XVI, eun.j> УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК 101 ν;- АДИАБАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ * /7. Л. Капица, Москва ВВЕДЕНИЕ Открытие Каммерлинг-Оннесом метода ожижения гелия повело за последние тридцать лет к целому ряду открытий, чрезвычайно существенных для изучения твердого состояния. Несмотря на это, в настоящее время еще очень немного лабораторий располагает аппаратурой, необходимой для получения жидкого гелия. Поэтому было бы чрезвычайно желательно упростить сложную технику получения жидкого гелия, что позволило бы его более широко использовать. В настоящей работе описан более эффективный метод ожижения, основанный на применении адиабатического процесса, который значительно упростит получение жидкого гелия для исследовательских целей. Существуют два основных метода охлаждения и ожижения газов. Первый метод основан на охлаждении газа при его адиабатическом сширении, причем это охлаждение достигается за счет совершения газом внешней работы. Впервые это явление наблюдалось еще в 1819 г. Клеманом и Дезормом х, которые обнаружите охлаждение газа в сосуде, когда давление понижалось выпусканием через кран части газа. Можно показать, что при таком расширении остающийся в сосуде газ сообщает определенную кинетическую энергию уходящему газу и адиабатически охлаждается. В 1895 г. Ольшевский 2 применил этот метод для ожижения водорода; подвергая водород сжатию до 190 am и охлаждая его при этом жидким кислородом, кипящим под уменьшенным давлением ( 211 С), можно было наблюдать при последующем быстром уменьшении давления появление тумана, состоящего из капель жидкого водорода. При помощи таких экспериментов Ольшевскому удалось определить критические постоянные водорода. Этот метод был недавно использован Симоном 3 для ожижения гелия. Симон использовал то обстоятельство, что при очень низких температурах теплоемкость сосуда делается настолько малой, что практически не отнимает холода у ожижаемого гелия. Однако при помощи этого метода можно получать только небольшие количества жидкого гелия, и для непрерывного ожижения гелия он оказывается Proc. Roy Soc. A 147, , 1934.

2 146 П. Л. КАПИЦА неприменимым; кроме того, здесь неизбежна некоторая потеря холода вследствие ухода части газа из сосуда. Этот метод так же усложняется необходимостью применения высоких давлений и предварительного охлаждения при помо щи жидкого водорода, кипящего при пониженном давлении. Фундаментальные преимущества метода, при котором охлаждаемый газ непосредственно совершает работу в подходящей механической системе, давно уже являются общепризнанными, и эти методы теперь обычно и используются для ожижения большинства газов. К сожалению, однако, для случая гелия или водорода его применение осложняется, так как очень трудно построить расширительную машину, работающую при таких низких температурах; по этой причине адиабатический метод ожижения до сих пор не применялся для газов, температура ожижения которых ниже, чем у водорода. Второй метод охлаждения использует внутреннюю работу, которую ожижаемый газ совершает при расширении. Это явление, известное под именем эффекта Джоуля-Томсона, впервые было использовано для ожижения гелия Каммерлинг-Оннесом 4 и до сих пор применяется для получения жидкого гелия в значительных количествах. Однако, так как гелий по своим свойствам очень близко подходит к идеальному газу, величина эффекта Джоуля- Томсона для него оказывается очень малой, и только после предварительного охлаждения гелия до температуры жидкого водорода, кипящего при пониженном давлении, величина эффекта делается достаточной для ожижения. Эффективность этого метода очень незначительна; так например, Мейсснер 5 считает, что она не превышает 1 / 0 эффективности, которую мог бы дать адиабатический метод. На практике, чтобы получить 1 л жидкого гелия, необходимо по расчетам Мейсснера затратить 6 л жидкого воздуха и 5 л жидкого водорода. Эти цифры дают некоторое представление о тех трудностях, которые встречаются при получении жидкого гелия указанным спо'собом. ВОЗМОЖНЫЕ ТИПЫ РАСШИРИТЕЛЬНЫХ МАШИН Учитывая низкую эффективность применения эффекта Джоуля- Томсона и возможность ее повышения примерно в 100 раз в адиабатическом процессе, мы разработали расширительную машину, пригодную для длительной работы при низких температурах. Для тою чтобы адиабатически охлаждать сжатый газ до низкой температуры, возможен a priori ряд методов. Наиболее естественным казалось бы применение турбины, и на первый взгляд эта идея кажется чрезвычайно привлекательной, главным образом, потому, что здесь исключается необходимость применения смазки, которая при низких температурах и представляет одну из главных трудностей. Из теории действия турбин известно, что скорость движения лопастей должна приближаться к критической скорости газа. Последняя при нормальных условиях оказывается довольно

3 АДИАБАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ 147 высокой, что значительно осложняет конструкцию машины. Однако при температурах, приближающихся к точке ожижения, критическая скорость гелия значительно понижается и, например, при 15 К равна всего лишь 153 м\сек; поэтому у гелиевой машины скорость движения лопастей не должна быть чрезмерно велика. Однако, как показывает более подробный расчет, здесь возникает иная трудность, связанная с размерами турбины. Так например, при 15 К и давлении в 30 am турбина, пропускающая 30 м 3 гелия в час (что соответствует получению нескольких литров жидкого гелия в час), должна была бы иметь сечение сопла не более 0,1 мм 2 ; и другие габариты частей турбины получились бы также соответственно чрезвычайно малыми. Отсюда видно, что применение турбины могло бы иметь практический смысл только в тех случаях, когда ожижение гелия производится в очень большом масштабе. Описываемая ниже установка хотя и отлична от турбины, но имеет настолько высокий коэфициент полезного действия, что его вряд ли удалось бы еще повысить даже применением турбины. Другая возможность, которая и используется нами, состоит в применении обыкновенной поршневой машины. Большая техническая трудность при конструировании подобной машины для случая очень низкой температуры состоит в том, что поршень должен ходить в цилиндре по возможности без трения, но в то же время не давать утечки расширяемому газу. В обычных машинах такого типа это достигается применением соответствующей смазки; но при температурах жидкого водорода и гелия подходящее смазочное вещество найти невозможно, так как все известные вещества становятся твердыми. Первая успешная попытка применения расширительной машины при низких температурах принадлежит Клоду в. Клод сначала пользовался в качестве смазки для поршня самим жидким воздухом; впоследствии, однако, он пришел к заключению, что жидкий воздух не является достаточно хорошей смазкой 7, и заменил его бензином или эфиром, что ограничило область применимости его расширительной машины до 140 С. Если жидкий воздух оказался неудовлетворительной смазкой, то очевидно, что жидкий гелий, обладающий ничтожным поверхностным натяжением, вовсе непригоден в качестве смазочного вещества, и, следовательно, решение вопроса, предложенное Клодом, неприменимо в случае ожижения гелия. Стремясь преодолеть указанную трудность, мы занялись разработкой конструкции поршневой расширительной машины, основанной на совершенно ином принципе, которая вовсе не требует смазки для поршня и, следовательно, может работать при любой температуре 8. Основная особенность этой машины заключалась в том, что поршень ходил в цилиндре свободно с некоторым зазором, так что при впуске газа в цилиндр под высоким давлением известное количество его могло уходить из цилиндра через зазор кругом поршня. Однако скорость движения поршня была так велика, что за ничтожную долю секунды, которую длилось расши-

4 148 П. Л. КАПИЦА рение, сквозь зазор успевало выходить очень незначительное количество газа, и эта потеря практически не отражалась на коэфициенте полезного действия машины. Такая расширительная машина имеет очень высокий коэфициент полезного действия (60 / о ) При помощи описанной ниже установки, использующей этот принцип, оказалось возможным производить ожижение гелия, не пользуясь предварительным охлаждением жидким водородом. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ При конструировании машины для ожижения гелия ставилась цель добиться не только высокого коэфициента полезного действия, но также и возможно короткого времени охлаждения при пуске. Описание всех расчетов, связанных с конструированием, выходит за рамки настоящей статьи, поскольку они носят обычный технический характер. Мы ограничимся поэтому разбором общего принципа действия машины. Прежде всего необходимо было выбрать подходящее распределение ступеней охлаждения в ожижительном аппарате. Принципиально расширительная машина предложенного типа позволяет ожижать гелий без предварительного охлаждения жидким водородом или жидким воздухом; однако для этого потребовались бы очень большие габариты расширительной машины и компрессоров, и весь аппарат получился бы очень громоздким. Действительно, для того чтобы обратить в жидкость 1 кг гелия, начиная работу от комнатной температуры, необходимо отнять 380 кал. С другой стороны, для того чтобы обратить в жидкость то же количество гелия, начиная с температуры жидкости азота, кипящего под пониженным давлением (65 К), достаточно отнять только 84 кал. Поэтому установка, не использующая предварительного охлаждения жидким азотом, должна быть примерно в четыре раза больше, чем установка, работающая с помощью жидкого азота. Количество потребного при этом азота очень невелико; при идеальных теплообменниках на каждый литр полученного жидкого гелия нужно было бы затрачивать не более 0,5 л жидкого азота. Благодаря низкой сюимости жидкого азота применение его для начального охлаждения оказывается особенно в лабораторных условиях весьма выгодным. Предварительное охлаждение жидким водородом до 20 К позволило бы еще понизить количество отнимаемых калорий до 25; однако этот выигрыш был бы обесценен трудностями получения жидкого водорода и предосторожностями, необходимыми при работе с ним. Принятая нами схема теплообменников показана на рис. 1. Сжатый гелий входит в трубку / и поступает в теплообменник А, потом, проходя вокруг кольцеобразного сосуда N, содержащего жидкий азот, кипящий под пониженным давлением, охлаждается до 65 К. Сжатый гелий проходит затем через теплообменник В и попадает в расширительную машину Е. Выйдя из расширительной машины, он проходит через теплообменники С, В и А

5 АДИАБАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ 149 и возвращается в компрессор через трубку 2. При помощи этих регенерирующих теплообменников температуру выходящего из расширителя газа можно было бы постепенно понижать до тех пор, пока часть гелия не вышла бы из машины в жидком состоянии. Отделяя затем жидкий гелий от газообразного, мы получим схему процесса, подобную примененной Клодом для ожижения воздуха. Такой процесс, однако, является недостаточно эффективным по вполне очевидным причинам. Предположим, что газ входит в расширительную машину под давлением р х и заполняет объем v l при темпертуре 7Ί, а затем расширяется до объема v 2 при давлении /7 2, и температуре Т 2. Процесс расширения может быть достаточно хорошо описан известным соотношением pvi = const, (1) где γ отношение удельных теплоемкостей. Количество холода, полученное при одном расширении, будет (2) Здесь η коэфициент полезного действия расширительной машины, который в идеальном случае был бы равен единице, j механический эквивалент тепла. Соотношение (2) показывает, что для случая идеального газа количество холода, получаемого при расширении, не зависит от темпера- Р и с j туры, при которой происходит расширение. Но так как плотность гелия, наполняющего расширитель, обратно пропорциональна температуре Т 1г то при понижении T t количество газа, подаваемого компрессором, будет увеличиваться, в то время как количество производимого холода будет оставаться неизменным. Мы приходим к этому заключению, предполагая, что гелий почти точно подчиняется уравнению состояния идеального газа (γ = const). Можно показать, что уклонения от свойств идеального газа только усугубляют сделанное заключение, так как количество производимого холода Δ/ будет уменьшаться с приближением температуры расширения к точке ожижения. Более подробный разбор явлений показывает, что выгодно держать температуру Т и по возможности высокой и производить охлаждение газа в расширительной машине до температуры Т 2, заметно превышающей точку его кипения; последние же стадии процесса,

6 150 П. Л. КАПИЦА вплоть до сжижения, нужно пытаться осуществить какими-либо иными способами. При этом нам представляются три возможности. Первая соответствует методу, применявшемуся Клодом для ожижения воздуха, и состоит в том, чтобы температуру Г 2 держать немного ниже критической (5,2 К) и затем охлаждать сосуд, в котором гелий бы ожижался при давлении, превышающем критическое (2,26 am). Однако этот способ оказывается для гелия непригодным, так как разница между критической температурой и температурой ожижения оказывается слишком малой (только 1 ). Второй метод мог бы состоять тоже в охлаждении сжатого гелия в сосуде охлажденным газом, попадающим в расширительную машину, и последующем ожижении гелия уменьшением давления, как это делал Симон. Такой процесс надо было бы, очевидно, повторять периодически, каждый раз опоражнивая сосуд, что, конечно, вызвало бы усложнения. Третий метод, который и был нами использован, совпадает с методом ожижения воздуха, применявшимся Гейландом *, в котором последняя стадия процесса ведется при помощи эффекта Джоуля-Томсона. Применяемая схема и показана на рис. 1. Пройдя теплообменник В, часть гелия под высоким давлением пропускается через теплообменник С, где он охлаждается до температуры 7*2 гелия, вышедшего из расширительной машины. Затем газ поступает через теплообменник D и дроссельный вентиль 4 в сосуд 5, где и происходит сжижение. После того как часть гелия перешла в жидкость, остаток газа снова проходит через теплообменники D и С и присоединяется к газу, вышедшему из расширительной машины. Для того чтобы вычислить производительность расширителя, необходимо знать уравнение состояния гелия вблизи критической точки. Его аналитическое выражение, однако, достаточно точно неизвестно, и поэтому здесь удобнее пользоваться энтропийными диаграммами" или диаграммами Моллье". Мы пользовались в нашей работе такими диаграммами, данными для гелия Кеезомом и Гутгофом 9. Из этих диаграмм можно было получить следующие величины: 1) полное теплосодержание i n и i n ', соответствующее давлениям р г и р 2 при температуре Т п, при которой сжатый гелий выходит из сосуда, содержащего жидкий азот; 2) полное теплосодержание i 1 газа, входящего в расширительную машину при температуре Т