科学史上最经典的“大力出奇迹”,莫过于用“土法制冷”挑战绝对零度

环球科学 2021-04-20 22:25



和人争吵空调到底设26度还是27度的问题上,在运动过后从小卖部买的饮料是否够冰的问题上,在手游里欣赏璃月港景色时手掌是否被“煎烤”的问题上,你会惊奇的发现自己原来对区区几度的变化那么敏感。 


然而,如果跳脱对温度的体感,不谈添衣加裤这些家常事,你又对温度有多少了解呢? 


俗话说:学语言从粗口开始,涨知识从“之最”起步。按照物理学的定义,温度反应的是分子热运动的剧烈程度,温度高代表分子平均热运动的动能大。 


通过理论,我们可以推出宇宙中的温度极限,对于高温来说,质量最大的微观粒子以光速运动时即为温度的上限,数值超过1032K,称为普朗克温度。 


对于低温的极限,大家应该会更为熟悉,也就是所谓的“绝对零度”,数值为0 K,换算成常用的温度单位即为-273.15°C,是一个仅存在于理论中而不可能达到的极限值。 


如果问起“绝对零度”是怎么来的,恐怕没有几个人能答得上来,关于它的故事说来也挺神奇的,在绝对零度的概念提出时,根本没有人能够哪怕接近这样一个数字。 


一百多年后,才有人制成液氦,达到了-269°C(4.2K)的低温,而实现制得液氦的方法说复杂也复杂,说简单也简单,总之不是用冰箱。 


绝对零度概念的提出不是一蹴而就的,也是经过了好几代人观察总结。最早在1702年,法国物理学家纪尧姆·阿蒙顿提出了寒冷是否有极限的议题。 


他改进了一种使用空气和水银温度计,空气的体积随着温度变化,带动一截水银移动来显示刻度,温度计的最小数值有极限,也就是零点,按照今天的推算约为-240°C。 



直到18世纪末,也有不少物理学家尝试去探寻这个低温的极限。1785年,又是来自法国的物理学家雅克·查尔斯,他发现了气体在压强恒定时,温度与体积的变化关系。 


他在实验中发现,在体积恒定的情况下,温度每降低1°C,气体的压强大概降低其在0°C时压强的1/273,按照这一个规律推算,当气体温度降低到-273°C时,压强就变为零了,真空了,不存在了。 


这显然是一个不可能达到的极限,随后,英国物理学家威廉·汤姆森(也就是开尔文男爵,开尔文原为一条河的名字)根据前人的总结和推测,给出了第一个正式的绝对零度概念,并且解释为物体内能降低至零,分子运动完全停止的状态。 这些科学家以及开尔文爵士等于给后人立下了热力学领域的其中一个终极目标,接下来就是一场挑战绝对零度的旷世大作战。 


还是那句话,远大的目标不可能一步就实现,绝对零度的挑战实际上演变为了一种液化气体的旷世大竞赛,而每攻克一种气体也就意味着登上了一座山头,当然最终的目标还是那个在云端的不可能极限。 


那是一个充满斗志的大探索时代,同期进行的还有抵达南北极点的竞赛,但这里就不展开了。 



第一个关键人物是我们熟悉迈克尔·法拉第,到1845年他就已经通过初级的压缩和冰浴,获得了多种气体的液态形式,以他当时的技术,能够获得最低-130°C的低温。 


不过,在他的尝试中也有几种无论如何也无法液化的气体,包括氧气、氮气、氢气,受限于当时的理论,法拉第认为这几种气体属于“永久气体”,无法被压缩成液态。 


现实当然不是法拉第他老人家认为的那样,这几种气体只是有些顽固,不过法拉第也算是把挑战绝对零度的进度提到了山脚下而面前的几座山头,正是氧气、氮气、氢气等。 


到了1870年代末,法国人路易斯·保罗·卡耶泰率先制得了液氧和液氮,两者分别能获得-183°C和-196°C的低温,其中用到了一个重要的原理——焦耳-汤姆森效应。 


从现象上来看,焦耳-汤姆森效应其实还算比较常见,比方说我们玩打火机时,如果不点燃单纯释放里面的液化气一会,就能摸到液化气出口处有冰冷的感觉,这就是效应描述的现象之一。 


更具体和严谨的描述是,气体在等焓的环境下膨胀,会使温度上升或下降。另外,存在一个所谓反转温度,当环境温度低于反转温度,通常表变现为温度下降,反之温度上升。 


气体等焓膨胀时存在两种变化:分子平均距离增加,势能上升令动能下降,使温度下降;分子平均距离增加也会导致单位时间内平均碰撞次数下降,碰撞转化的势能下降,动能上升导致温度上升。 


总结起来就是当环境温度低于反转温度时,前者导致的温度下降比较显著,而环境温度高于反转温度时,后者导致的温度上升比较显著。大部分气体的反转温度都高于室温,即膨胀过程温度下降。 


但是,氢气和当时还没有被分离出来的氦气都是例外,它们的反转温度要远低于室温,即便制取到了它们在室温下膨胀反而会升温。 



接下来的重要人物是来自苏格兰人詹姆斯·杜瓦,他要挑战的正是当时最后一种“古怪”的“永久气体”氢气。


当年的科学家们预计要制得液态的氢,至少要达到-250°C,而这个温度以当时的技术和设备是一个不可能的挑战,杜瓦也必须要发明新的设备,他的贡献也恰恰在此。 


杜瓦的方案从原理上来说并不复杂,可以说是“大力出奇迹”,他设想的方案是,先用一种可以在常温下压缩液化的气体,液化后再使其膨胀获得低温,冷却下一种更难被液化的气体,液化后再冷却下一种…… 如此环环相扣,最终就可以获得足够低的温度,让氢气液化,这种多级串联的方案或许不是杜瓦独创,但是却是他真正实现的,关键就在于仪器设备的制造。 


仪器设备需要大量的资金,杜瓦因此会在皇家学会的实验室向客人演示一些液化气体的独特属性,用实验来吸引大家的注意力。

 


但是实验哪能一帆风顺,1886年,伦敦发生了一起可怕的爆炸,杜瓦在实验中不慎将液氧和液态乙烯混合在了一起引起了爆炸,差一点断送了他的科学生涯。 


不过,很快杜瓦就通过氯甲烷-乙烯-氧气-氢气多级串联的方式制得了仅仅20立方厘米的液氢,当时储存的罐体承受了180个大气压,温度达到了-205°C。 



杜瓦再将液氢通入膨胀管,看着温度计度数稳步下降,最终获得了-252°C的新纪录,算是完成了他所敬佩的前辈法拉第口中不可能的挑战。 


然而,就在实验成功后不久,一种新的气体的出现没能让杜瓦笑到最后,惰性气体氦气被发现并制得,简直是柳暗花明又一村。 



接下来,荷兰人昂内斯接过重担,他用杜瓦的装置以及钞能力建造的液氢工厂,也是大力出奇迹般的制得了液氦,达到了4.2K(-268.95°C)。 


在这个接近绝对零度的温度下,很多物质会表现出前所未有的状态,包括流体力学、电磁学等等相关的特性,这也让昂内斯斩获了诺贝尔奖。 



我们今天用的一些制冷电器,包括空调、冰箱,其实从原理上来说都离不开这帮研究气体的科学家们的贡献。当年为昂内斯制作仪器的工匠成立了公司,生产保温瓶,名叫“Thermos”。 


但是说来也有些遗憾,杜瓦在1923年去世,同一年家用的电冰箱才被发明出来,而三年之后,昂内斯也去世了,他们为制冷奋斗了一辈子,最终是没有用上冰箱的。 


希望各位内心存有求知欲的青年们,你们在打开冰箱享用冷饮的时候可以想起这段传奇史话。 


参考资料:

刘霞. 追寻绝对零度的奇幻旅程[N]. 科技日报,2013-09-21(002).

徐泽智.绝对零度的探索[J].制冷,1986(04):34-35+44.

Alan Bellows. Absolute Zero is 0K. damn interesting, 20 March 2014.



本文转载自公众号“SME科技故事”(id:SMELab)


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