Кипение веществ принято считать признаком высокой температуры, однако в физике этот процесс напрямую зависит от окружающего давления. Известный популяризатор науки Дерек Маллер в выпуске канала Veritasium продемонстрировал уникальный научный эксперимент, в котором жидкий азот заставили закипеть при искусственно пониженном давлении. Этот парадоксальный метод охлаждения через кипение позволил исследователям достичь тройной точки азота и впервые получить это вещество в твердом состоянии.
🌡️ Парадоксы термодинамики: кипение как способ охлаждения 0:00
Точка кипения не является неизменным свойством вещества, так как она напрямую зависит от давления окружающей среды. Например, вода закипает при температуре 100°C только в том случае, если атмосферное давление составляет ровно одну атмосферу. Если же снизить внешнее давление, молекулам воды, движущимся с высокой скоростью, становится значительно легче вырываться с поверхности жидкости, поскольку на них больше ничего не давит сверху. Благодаря этому физическому эффекту можно заставить воду кипеть даже при обычной комнатной температуре.
Основной термодинамический парадокс кипения при комнатной температуре заключается в том, что этот процесс приводит к снижению температуры самой жидкости. Физика явления объясняется следующим образом:
- Жидкость покидают исключительно самые быстрые и «горячие» молекулы.
- Внутри сосуда остаются только медленные молекулы с меньшей кинетической энергией.
- В результате средняя температура оставшейся воды падает.
Дерек Маллер образно описывает это явление как охлаждение или даже «замораживание» воды посредством её кипячения.
❄️ Эксперимент с жидким азотом и достижение тройной точки 0:41
Большинство людей знакомы с жидким азотом, однако мало кто видел азот в твердом состоянии. Ведущий канала Veritasium Дерек Маллер решил применить описанный выше термодинамический трюк с откачкой молекул к жидкому азоту, чтобы максимально понизить его температуру и перевести в твердую фазу.
Для фиксации параметров эксперимента исследователи поместили в сосуд специальный датчик температуры — термопару. На старте прибор показал значение около -196°C, что в точности соответствует нормальной температуре кипения жидкого азота при стандартном давлении в одну атмосферу.
После этого началась откачка воздуха из барокамеры. В процессе падения давления стали происходить следующие изменения:
- Жидкий азот начал интенсивно бурлить и кипеть.
- Температура системы начала стремительно падать, преодолев отметки в -199°C и -200°C.
- Вещество вплотную приблизилось к своей тройной точке — уникальному состоянию, в котором одновременно сосуществуют твердая, жидкая и газообразная фазы.
Вскоре на поверхности закипевшей жидкости образовалась плотная корка — физики успешно получили твердый азот. В ходе эксперимента был замечен любопытный визуальный эффект: образовавшийся азотный лед начал приподниматься и засасываться вверх под воздействием перепада давления. Это произошло из-за того, что вакуумный насос снизил давление над коркой льда, в то время как под ней оно на мгновение осталось более высоким. Дерек Маллер признался, что никогда раньше не видел азот в твердом состоянии.
🌫️ Замерзание воздуха и создание сухого льда 2:28
На получении твердого азота эксперимент Veritasium не закончился. Исследователи решили изучить свойства полученного вещества и вылили его на водяную баню. Азотный лед оказался настолько холодным, что спровоцировал мгновенное охлаждение всей окружающей среды и запустил процесс конденсации газов прямо из атмосферного воздуха.
Температура на поверхности воды упала до таких экстремальных значений, что содержащийся в воздухе углекислый газ стал превращаться в твердое состояние, минуя жидкую фазу. На поверхности водяной бани образовалась плотная белая масса — сухой лед, полученный напрямую из окружающего воздуха. В финале эксперимента Дерек Маллер продемонстрировал зрителям сформировавшийся монолитный кусок чистого твердого диоксида углерода (CO2).
