§ 116. Сверхнизкие температуры

Данные, приведенные в табл. 18, показывают, что сжиженные газы позволяют получить температуры вплоть до 4,21 К (жидкий гелий).

Если заставить жидкий гелий кипеть под пониженным давлением (для этого нужно откачивать пары над ним), то его температуру можно понизить примерно до 1 К. Рекордно низкая температура, полученная таким образом, равна 0,69 К. Дальнейшее понижение температуры жидкого гелия откачкой его паров оказывается практически невозможным, так как упругость паров гелия в этой области температур становится очень малой. Если при 0,7 К упругость паров гелия равна то при 0,5 К она становится равной а при Имея в виду легкость, с какой испаряется жидкий гелий (тйплота испарения ясно, что насосы не могут «успевать» откачивать пары до столь малых давлений.

Поэтому для получения еще более низких температур (их называют сверхнизкими) используется другой способ — так называемый магнитный метод охлаждения. Сущность его легко понять из второго начала термодинамики.

В качестве хладоагента в этом методе используется особый вид веществ — так называемые парамагнитные соли. Это сложные химические соединения, примером которых может служить соль (железоаммониевые квасцы). Вещества эти замечательны тем, что каждая их молекула обладает магнитным моментом, т. е. ведет себя как свободный маленький постоянный магнит. В обычных условиях, т. е. в отсутствие магнитного поля, эти микроскопические магнитики ориентированы совершенно беспорядочно из-за тепловых движений, в которых участвуют молекулы соли (рис. 144, а). С этим магнитным беспорядком, так же как с беспорядком тепловым, связана определенная энтропия.

Рис. 144.

Если поместить парамагнитное вещество в магнитное поле, то магнитные моменты частично повернутся в направлении поля, так Что в их расположении появится некоторый порядок (рис. 144, б). Этот процесс называется намагничиванием. Значит, магнитное поле приводит к тому, что степень беспорядка (магнитного) уменьшается. Уменьшается поэтому и увязанная с ним энтропия.

Представим себе теперь, что парамагнитное вещество намагничивается в адиабатных условиях (обратимым образом). Энтропия в этом случае остается, как мы знаем, постоянной. Но так как магнитная часть энтропии при намагничивании уменьшается, то тепловая часть должна соответственно увеличиваться, т. е. должна повыситься температура. Наоборот, если предварительно намагниченный образец адиабатно размагнитить, то он должен охладиться: вызванное размагничиванием увеличение магнитного беспорядка, а значит, и связанной с ним энтропии должно скомпенсироваться уменьшением тепловой части энтропии, что и происходит при охлаждении. Размагничивание играет в магнитном методе такую же роль, какую при охлаждении газа играет его расширение.

Опыт с магнитным охлаждением ставится так: сначала парамагнитную соль охлаждают с помощью жидкого гелия до возможно более низкой температуру. Затем, не прерывая контакта соли с жидким гелием, ее намагничивают в возможно более сильном магнитном поле. Выделяющееся при этом тепло поглощается жидким гелием, так что намагничивание производится в изотермических условиях. После этого соль изолируют от жидкого гелия и размагничивают ее (адиабатно), удаляя из магнитного поля.

В результате соль оказывается охлажденной. Этим способом удается получить рекордно низкие температуры — порядка ста тысячных долей градуса.

Полученная таким образом охлажденная соль используется для охлаждения других исследуемых тел. Существуют различные способы создания теплового контакта между солью и исследуемыми образцами.