Глава VIII. НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Непрерывные хаотические тепловые движения, в которых всегда участвуют частицы любого вещества и интенсивность (энергия) которых определяет его температуру, оказывают существенное влияние на все происходящие в веществе явления. Они являются как бы фоном, на котором разыгрываются любые процессы внутри вещества. Именно поэтому почти всякое свойство вещества так или иначе зависит от температуры, т. е. от интенсивности тепловых движений частиц в нем.
Естественно, что изучение свойств вещества при очень низких температурах, когда молекулярные движения в большей или меньшей степени ослаблены, представляет большой интерес. Только при низких температурах можно исследовать те или иные явления в условиях, когда постоянный фон тепловых движений не влияет на них.
При низкотемпературных исследованиях изучаемое тело приводят в контакт с телом достаточно низкой температуры, с так называемым хладоагентом. Задачей техники низких температур и является создание таких хладоагентов. Ими обычно являются, различные сжиженные газы, находящиеся в состоянии кипения. Они особенно удобны тем, что контакт с охлаждаемым телом не изменяет их температуру, а приводит лишь к более интенсивному испарению. Именно сжижение газов открыло для исследования область низких температур, в том числе и самых низких — близких к абсолютному нулю.
Ниже мы кратко познакомимся с физикой и техникой сжижения газов.
§ 110. Сжижение газов
Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса показывает, что всякий газ может быть переведен в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. Углекислый газ, например, можно сжижить при комнатной температуре,
поскольку его критическая температура равна 
То же можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор (см. табл. 13).
Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние, какие бы ни применять давления и до каких бы плотностей их ни доводить. К таким газам относятся, например, воздух (а также его составные части азот, кислород и аргон), водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. До открытия критической температуры (Каньяр-де-ла-Тур, 1822 г.) их даже считали постоянными газами, т.е. газами, вообще не способными сжижаться.
Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить, по крайней мере до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведен в жидкое состояние. Сжиженные таким образом газы удобнее хранить под атмосферным давлением (в открытом сосуде), но в этом случае их температура должна быть еще более низкой — такой, при которой давление, соответствующее горизонтальному участку изотермы реального газа, равно 1 атм. Для азота такая изотерма соответствует температуре 77,4 К, в то время как критическая температура азота равна 126,1 К- Для кислорода эти цифры соответственно равны 90 К и 154,4 К, для водорода 20,5 К и 33 К и, наконец, для гелия 4,4 К и 5,3 К. Мы упомянули эти четыре газа потому, что именно они широко используются практически: и как средства получения низких температур (хладоагенты), и для других целей.
Из приведенных цифр как критических температур, так и тех конечных температур, до которых должны быть охлаждены сжижаемые газы, видно, что охлаждение требуется весьма значительное, какое нигде в природе (в земных условиях) не встречается. Для достижения столь сильного охлаждения обычно используются два метода (по отдельности и комбинированно), которые мы здесь и рассмотрим.
Первый из них связан с использованием так называемого эффекта Джоуля — Томсона.
