制冷的奧秘（中）

王震元

法拉第直面挑戰(zhàn)

自然界中的物質(zhì)雖然千姿百態(tài)，但最為人所熟悉的是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。按照英國科學(xué)家道爾頓的觀點(diǎn)，由于組成物質(zhì)的原子—分子相同，同一種物質(zhì)的3種形態(tài)在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換，冰、水、水蒸氣就是人們熟悉的同一種物質(zhì)的“三態(tài)”。當(dāng)然，也有學(xué)者持不同見解，認(rèn)為某些氣體是“永久氣體”，或者說是不能液化的。

然而1822年，正在皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室工作的法拉第，卻完全贊同道爾頓的見解。為此，他在一端封閉的試管里裝上氯水的結(jié)晶體，然后把試管的另一端放在一個(gè)大水杯里，水杯下面用火加熱，結(jié)果試管里升起了一縷縷黃綠色的氣體。

就在此時(shí)，順路來實(shí)驗(yàn)室探望法拉第的帕里斯教授，雙眼卻盯著試管說，這試管不干凈，因?yàn)樵谒纳隙擞袔讉€(gè)黃色油斑。這對一貫以整潔和工作有條不紊著稱的法拉第來說，簡直是不可思議的。于是他用鋼銼在試管上端有油漬的地方銼了兩道痕，敲破后立即有一股刺鼻的氯氣味直沖而出。此時(shí)，“奇跡”發(fā)生了：原來有油漬的試管壁，變得干干凈凈！

法拉第很快悟出了其中的道理。固態(tài)氯加熱后會分解出氯氣，由于實(shí)驗(yàn)是在試管密封狀態(tài)下進(jìn)行的，因而氯氣的壓強(qiáng)就很大。但試管的另一端是冷的，高壓和低溫使氯氣液化，并沾附在試管壁上形成“油漬”。敲破試管，液態(tài)氯立即由于減壓而氣化“消失”了。

于是，法拉第和其他科學(xué)家一起，用這種加壓和降溫的方法，液化了氨、二氧化硫等多種氣體。但是，氧、氮、氫、一氧化碳、一氧化氮和甲烷這6種氣體，即使加壓到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的3000倍，溫度降低到-110℃，也不能使它們液化。

這個(gè)問題引起了俄國學(xué)者門捷列夫和英國物理學(xué)家安德魯斯等人的注意。在進(jìn)行了深入研究后，他們發(fā)現(xiàn)，每種物質(zhì)都有一個(gè)特定的溫度，在這個(gè)溫度之上，無論怎樣增大壓強(qiáng)也不會液化，這個(gè)溫度叫做“臨界溫度”。氯、氨、二氧化碳等氣體由于臨界溫度較高，因而在室溫下，只要適當(dāng)增加壓強(qiáng)就可液化，而那6種氣體臨界溫度卻低得多。直到19世紀(jì)末，低溫技術(shù)有了新的發(fā)展后，人們才有幸見識到了它們液化的形態(tài)。需要特別指出的，最難液化且最具有科研和技術(shù)創(chuàng)新價(jià)值的是6種氣體以外的另一種氣體——氦……

“揪”出空氣中的氦

氦，最初被認(rèn)為是屬于太陽上的某個(gè)未知元素（Helium，希臘文“太陽”之意）。1895年，英國化學(xué)家拉姆賽和瑞典化學(xué)家蘭格列分別從釔鈾礦中分離出了氦。

能不能在空氣中找到氦呢？拉姆賽工作的頭兩步——除去空氣中的氧氣和氮?dú)馐潜容^容易的，只要讓空氣先后通過裝有赤熱銅屑和裝有赤熱鎂屑的磁管，生成氧化銅和氮化鎂，剩下的就是他和另一位科學(xué)家瑞利發(fā)現(xiàn)的氬氣了。由于已經(jīng)證明氦的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，因而空氣中如果有氦，必然與氬混在一起。

拉姆賽從“利用酒精和水的沸點(diǎn)不同把這兩種液體分離”的方法中受到啟示，決定也用同樣的方法把空氣中的氬氣和氦氣分開。首先他必須把空氣冷卻到-192℃，使空氣像酒精和水那樣，變成液體。但在當(dāng)時(shí)，這可不是一件容易辦到的事。幸運(yùn)的是，德國的林德和英國的漢普松這兩位科學(xué)家發(fā)明的制冷機(jī)幫了拉姆賽的大忙。其操作程序是：把空氣送進(jìn)機(jī)器，強(qiáng)力的泵將空氣壓縮在細(xì)管子里，然后讓壓縮的空氣通過一個(gè)小孔，噴進(jìn)細(xì)管子外面的空室，讓它迅速膨脹變冷。用這變冷了的空氣來冷卻細(xì)管子里后進(jìn)來的壓縮空氣。這部分冷卻過的壓縮空氣膨脹后就變得更冷。這樣第二批冷卻第三批，第三批冷卻第四批，如此循環(huán)往復(fù)，空氣就會變得越來越冷，直至溫度下降到-192℃。這時(shí)候，空氣就變成液體了。當(dāng)同住倫敦的漢普松得知拉姆賽的急需后，立即送來了保溫在杜瓦瓶中的750立方厘米的液態(tài)空氣。

卡爾·馮·林德發(fā)明的制冷機(jī)

但是，當(dāng)拉姆賽把小橡皮球、水銀、面包等放進(jìn)液態(tài)空氣中做實(shí)驗(yàn)，并讓氧氣和氮?dú)庹舭l(fā)掉，剩下大約10立方厘米時(shí)，只發(fā)現(xiàn)了氬，而并無氦的蹤跡。

拉姆賽并未動(dòng)搖自己的信念。幾天后，當(dāng)漢普松又送來幾公升液態(tài)空氣時(shí)，他和助手特萊凡斯設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)：把一段球形的玻璃管，浸在裝有液態(tài)空氣的杜瓦瓶里，然后將從空氣中提取積累的15升氬氣，慢慢送進(jìn)玻璃管里。在液態(tài)空氣溫度下，氬氣變成了液體。最后，他們關(guān)閉了玻璃管上的活塞。幾分鐘后，助手把玻璃管中未液化的氣體抽了出來，進(jìn)行光譜分析，除了一種叫“氖”的橙紅色譜線外，果然在特定位置發(fā)現(xiàn)了那條黃線——氦的譜線。

但是，盡管拉姆賽和特萊凡斯又蒸餾了大量的液態(tài)空氣，但卻始終無法把氖氣和氦氣分開。這是因?yàn)樵谝簯B(tài)空氣溫度下，它們都不會液化，這就需要用到液態(tài)氫了。液態(tài)氫的沸點(diǎn)（-253℃）比液態(tài)空氣的沸點(diǎn)（-192℃）要低得多。于是，特萊凡斯自力更生，制成了一臺生產(chǎn)液態(tài)氫的機(jī)器。結(jié)果，氖氣不僅液化，而且立即凝結(jié)成了固體。而氦卻仍舊是氣體……

進(jìn)入超低溫奇境

1908年7月，荷蘭萊頓大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室主任?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯把氦氣壓縮并冷卻到液態(tài)氫的溫度，然后讓它膨脹，使溫度進(jìn)一步下降至-269℃，氦氣終于變成液體。這是地球上最后一種未被液化的氣體，首次變?yōu)?20立方厘米的液體。這種液體就像打開了瓶子的汽水那樣，不斷飛濺著小氣泡。

1919年，?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（右）在低溫實(shí)驗(yàn)室

物理學(xué)上，把-273.15℃稱為絕對零度，用K表示。昂內(nèi)斯由于在接近絕對零度時(shí)液化了氦，因而獲得了“絕對零度先生”的美譽(yù)。但是他并不滿足，又雄心勃勃地向“固態(tài)氦”進(jìn)軍。盡管他最終未獲成功，但卻得到了一個(gè)意外的收獲。

對一般液體來說，隨著溫度降低，密度會逐漸增加。一開始，液態(tài)氦遵循著這個(gè)規(guī)律。但是，當(dāng)溫度下降至-271℃時(shí)，怪事出現(xiàn)了：液態(tài)氦突然起泡，變得像水晶一樣透明，一動(dòng)也不動(dòng)，好像一潭死水，而它的密度卻突然減少了。顯然，這是另一種液態(tài)氦。昂內(nèi)斯把前一種冒泡的液態(tài)氦，命名為氦Ⅰ;而把后一種靜止的液態(tài)氦，命名為氦Ⅱ。

昂內(nèi)斯把一個(gè)小玻璃杯放置在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是過了一會兒，杯底就出現(xiàn)了液態(tài)氦，慢慢地會漲到跟杯子外面的液態(tài)氦齊平為止。然后，他把這個(gè)盛著液態(tài)氦的小玻璃杯提出來，掛在半空。瞧！玻璃杯外的底下出現(xiàn)了液態(tài)氦，一滴、兩滴、三滴……不一會，杯中的液態(tài)氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎？當(dāng)然不是！原來，氦Ⅱ是能夠倒流的，它會沿著玻璃杯壁流進(jìn)去，也能流出來。這種“怪現(xiàn)象”叫做“超流動(dòng)性”，但這種現(xiàn)象只有在超低溫世界才會發(fā)生，具有超流動(dòng)性的氦Ⅱ也因此被叫做“超流體”。

后來，許多科學(xué)家研究了這種怪現(xiàn)象，又有了不少新發(fā)現(xiàn)。其中最有趣的要屬“氦Ⅱ噴泉”實(shí)驗(yàn)。首先在一根玻璃管里裝上很細(xì)的金剛砂，在玻璃管上端接出來一根細(xì)的噴嘴。然后，將玻璃管浸在氦Ⅱ中，用光照射玻璃管下部，細(xì)噴嘴就會變成“氦Ⅱ噴泉”，光照越強(qiáng)氦Ⅱ噴得越高，可以達(dá)到數(shù)厘米。這也是超流體的一種特殊性質(zhì)——把光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C(jī)械能。

更為奇妙的是，在液態(tài)氦的溫度下，水銀的電阻竟“消失”了。最初，昂內(nèi)斯以為儀器出了毛病，后來用其他沒有降溫的材料測試，證明儀器工作正常。不久，他又發(fā)現(xiàn)鉛和錫也具有這種性質(zhì)。之后，更多的金屬和化合物也被發(fā)現(xiàn)具有“超導(dǎo)電性”，具有這種性質(zhì)的材料也因此被命名為“超導(dǎo)材料”。到了1933年，荷蘭兩位物理學(xué)家邁斯納和奧森費(fèi)爾德進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)材料在超低溫下，還具有“完全抗磁性”。有人做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把一塊磁鐵放進(jìn)一只錫碗，然后逐漸冷卻，當(dāng)溫度接近-273℃時(shí)，磁鐵忽然從碗底飄了起來。這是由于磁鐵的磁力線本來是可以通過錫碗的，但此時(shí)錫碗由于超低溫而產(chǎn)生了完全抗磁性，阻擋磁力線的通過，磁鐵只能懸浮了起來……

昂內(nèi)斯由于對低溫狀態(tài)下物質(zhì)特性和氦的液化作出的杰出貢獻(xiàn)，榮獲1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

（未完待續(xù)）