Самым совершенным теплоизолятором является… пустота. Еще 60 лет назад для сохранения сжиженных газов начали изготовлять специальные сосуды с двойными стенками (рис. 5).
Рис. 5. Двухстенные стеклянные сосуды для хранения жидкого воздуха.
Воздух, находившийся между стенками, выкачивался через нижнее отверстие сосуда, которое затем тщательно запаивалось. В таких сосудах испарение уменьшалось весьма значительно.
Однако тепло распространяется не только за счет теплопроводности тел. Наша планета, например, получает тепловую энергию от Солнца в виде тепловых лучей. А лучистое тепло беспрепятственно проникает к жидкому воздуху и через пустую оболочку сосуда. Оно поглощается стеклянными стейками и передается жидкости.
Как же предохранить жидкий воздух от действия тепловых лучей?
Много лет назад ученые заметили, что не все тела обладают одинаковой способностью поглощать тепловые лучи. Предметы с темной и матовой поверхностью поглощают значительно больше тепла, чем блестящие и светлые. Поэтому летом люди стремятся носить белую одежду — она хорошо отражает горячие солнечные лучи. Эти наблюдения позволили найти простую защиту сосудов от тепловых лучей. Достаточно только посеребрить внутреннюю поверхность стенок сосуда. Зеркальная поверхность сосуда отражает падающие на него лучи, и жидкий воздух в таких сосудах можно хранить неделями. Однако стеклянные сосуды для хранения жидких газов применяются только в лабораториях. В промышленной практике, где приходится иметь дело с тоннами и даже десятками тонн жидких газов, для хранения и перевозки их применяются другие устройства. С ними мы познакомимся несколько позже.
О НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВАХ ЖИДКОГО ВОЗДУХА
С жидким воздухом можно проделать ряд весьма интересных опытов.
Наполним стеклянную банку водой и вольем туда немного жидкого воздуха. Прежде всего мы увидим, как бурно закипит жидкий воздух. И это не удивительно. Для жидкого воздуха поверхность воды в банке то же, что раскаленная плита для выплеснутой на нее воды.
Из жидкого воздуха, вылитого в банку с водой, образуются подвижные шарики. Вначале они будут скользить по поверхности воды, а затем, несмотря на бурное испарение, погрузятся в воду. Это любопытное явление объясняется очень просто. Плотность жидкого азота составляет примерно 0,9 плотности воды, а плотность жидкого кислорода в 1,12 раза больше плотности воды. Жидкий воздух, только что полученный на установке и вылитый в банку с водой, содержит много азота. Поэтому он легче воды и плавает на ее поверхности. По мере испарения жидкого воздуха улетучивается прежде всего азот, обладающий более низкой по сравнению с кислородом температурой ожижения. Остающаяся часть жидкого воздуха все больше обогащается кислородом и плотность его непрерывно растет. Вскоре шарики жидкого воздуха становятся тяжелее воды и опускаются на дно банки.
Многие из окружающих нас веществ и предметов нашего обихода, охлажденные до температуры жидкого воздуха, приобретают совершенно необычные для них свойства. Гибкая резиновая трубка после погружения в жидкий воздух становится хрупкой, как стекло, и легко разбивается молотком. Охлажденные в жидком воздухе цветы становятся похожими на тонкий изящный фарфор и при малейшем сотрясении легко превращаются в пыль.
Новые свойства тел, вызванные глубоким охлаждением, широко используются в практике. Пробка, фрукты или мясо в обычных условиях с трудом поддаются измельчению, а после смачивания жидким воздухом они легко превращаются в порошок. Однако, как только эти тела снова приобретают обычную температуру, к ним возвращаются их прежние качества.
Меняют некоторые свойства и многие металлы, погруженные в жидкий воздух. Спираль, изготовленная из мягкого свинца и замороженная в жидком воздухе, становится такой же упругой, как стальная. Бутыль из мягкого листового железа, наполненная жидким воздухом, приобретает такую же хрупкость, как и бутыль из стекла. Однако, несмотря на повышение хрупкости при низких температурах, сопротивление металлов разрыву увеличивается. Железная проволока, охлажденная в жидком воздухе, выдерживает, не разрываясь, вдвое больший груз, чем при обычной температуре.
Интересно отметить, что некоторые вещества при охлаждении жидким воздухом не изменяют своей эластичности. К их числу относится обезжиренная кожа, красная медь, нержавеющие стали и некоторые другие материалы. Этими материалами и пользуются для создания приборов и аппаратов, работающих при весьма низких температурах.
МИЛЛИОННЫЕ ДОЛИ АТМОСФЕРЫ
Изучая свойства различных веществ при низких температурах, исследователи обратили внимание на интересную особенность древесного угля. Хорошо обожженный и высушенный уголь при очень низких температурах прекрасно поглощает газы. Этим свойством древесного угля пользуются для создания сильно разреженной атмосферы или, как говорят, для получения вакуума, то-есть пустоты.
Пусть требуется удалить атмосферный воздух из какого-либо специального прибора, например, из трубки Гейслера, предназначенной для изучения электрического разряда в пустоте. Для этого достаточно соединить внутреннюю область трубки с погруженным в жидкий воздух сосудом, содержащим древесный уголь. Охлажденный уголь очень быстро вберет в себя почти весь атмосферный воздух, находящийся в трубке. Таким простым приемом удается получить высокую степень разрежения воздуха, измеряемую миллионными и даже десятимиллионными долями атмосферы. Описанным свойством древесного угля пользуются для создания совершенной теплоизоляции — пустоты — в сосудах, предназначенных для хранения и перевозки жидких газов. Такие сосуды делаются из металла и имеют две стенки. Во внутреннюю стенку сосуда вделывается металлическая трубка, в которую насыпается древесный уголь. При наполнении сосуда жидким воздухом уголь автоматически поддерживает разрежение, несмотря на то, что некоторое количество атмосферного воздуха может проникать через поры в металле. С течением времени поглотительная способность угля уменьшается, уголь как бы насыщается газом. Сосуды приходится перезаряжать новым углем. Однако прежние свойства древесного угля легко восстанавливаются: при нагревании до 100–200 градусов при пониженном давлении уголь теряет поглощенный газ. Таким образом, одну и ту же порцию угля можно применять много раз.
Сосуды, снабженные углем и предназначенные для хранения жидкого воздуха, вмещают от 5 до 25, а иногда и более литров (рис. 6).
Рис. 6. Такие сосуды вместимостью от 5 до 25 литров широко применяются для хранения и перевозки жидкого воздуха.
В течение часа из такого сосуда испаряется меньше двухсотой части содержащейся в нем жидкости.
Жидкий воздух применяется во многих областях техники, особенно там, где нужны очень низкие температуры.
В машиностроении нередко требуется прочно насадить одну деталь на другую, например стальной диск турбины на ее ось. Раньше, а кое-где и теперь, диск нагревали. При повышении температуры металл расширялся и отверстие в диске увеличивалось. Нагретый диск легко насаживался на ось и плотно охватывал ее при охлаждении. Однако нагревание громоздких колес турбины или других машин часто представляет собою довольно сложную и ответственную операцию. При неправильном нагреве легко можно вызвать искривление диска или ухудшение его механических свойств.
Гораздо проще произвести такую же насадку, используя жидкий воздух. Сравнительно тонкая ось турбины быстро охлаждается этой сверххолодной жидкостью и размер ее резко уменьшается. В таком виде ось легко вставляется во втулку колеса
