Применение разреженного воздуха

Все-таки, несмотря ни на какие преграды, люди научились откачивать воздух из закрытых сосудов. Научились, вопреки утверждению Аристотеля, «делать пустоту». Со временем воздушный насос стал привычным оборудованием не только Лабораторий, но и заводов. И сегодня вряд ли кого удастся удивить «пустым» сосудом.

Но что  значит: «откачать» маленький, пусть  совсем незначительный сосудик —  пузырек? И почему мы говорим, что  это трудно сделать?

Попробуйте  нырнуть с ведром в руках и  под водой вычерпать из него воду. Вычерпывать и прикрывать, вычерпывать  и прикрывать, прикрывать так, чтобы  ни одна капелька не просочилась обратно. И все это там, на глубине, не поднимаясь на поверхность, когда вода и сверху, и снизу, и с боков — кругом. И давит, давит, давит...

Так же трудно, а может, еще труднее откачать воздух из сосуда на самом дне нашего воздушного океана. Ведь воздух окружает нас и сверху, и снизу, и с  боков — кругом. И тоже давит, давит, давит...

Воздух —  главный враг «пустоты». Чтобы успешно  с ним бороться, следует знать, что он собой представляет, каковы его свойства.

Долгое время, почти до конца XVIII столетия, большинство  ученых считало воздух простым элементом, некоторой тонкой однородной «эластической  жидкостью». И лишь в 1777 году замечательный  французский химик Антуан Ла-вуазье впервые установил, что состав воздуха сложный, что в него входят: кислород, азот, водород и углекислый газ. Потом со временем химики все уточняли и уточняли состав земной атмосферы. Теперь же известно, что воздух — это смесь одиннадцати газов.

Итак, воздух — смесь газов. А газ — вещество, в котором частицы почти не связаны друг с другом. Вот почему газы, в отличие от жидкостей и  твердых тел, так легко и сжимаются  и разрежаются.

Когда Торричелли и Герике, Бойль и Паскаль говорили о пустоте, они подразумевали, что в сосуде не оставалось воздуха совсем. Сегодня мы сказали бы: «Ни молекулы». Возможно ли это?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо сосчитать, сколько  молекул находится в каком-нибудь объеме.

Сосчитать поштучно молекулы невозможно, если бы мы даже вооружились  самым сильным сверхмикроскопом. Но с помощью формул нетрудно определить, что в объем всего в один кубический сантиметр помещается огромное количество молекул; оно выражается числом с восемнадцатью нулями. Вот таким: 27 000000 000000,000000— двадцать семь квинтиллионов. Это невообразимо много.

Если бы собрать  вместе  столько песчинок, то на Земле выросла бы гора, соперничающая с вершинами самых горделивых пиков. Выходит, насколько высоченная гора больше наперстка, во столько раз и песчинка больше молекулы. Только примерно. Потому что песчинки в горе укладываются плотно, а молекулы в наперстке непрерывно движутся. Им там вовсе не тесно. Одни частицы вылетают наружу, другие занимают их места. Вечное, нескончаемое движение — закон природы.

Сравнение с  песчинками будет еще полней, если мы добавим: каждая частица — молекула — имеет вес. Ведь воздушная оболочка над нашей планетой держится притяжением. Значит, сила притяжения сообщает вес  и воздуху.

Вот и давят  верхние слои на средние, средние  на нижние, сгущая воздух над самой  поверхностью до того состояния, к которому мы привыкли.

Если бы наша Земля была в сто раз больше по своим размерам, тогда увеличилась  бы сила притяжения огромной планеты, увеличился бы вес всех предметов, находящихся  на ее поверхности. Давление атмосферы  возросло бы настолько, что нижние ее слои превратились бы в жидкость. Вся  планета представляла бы тогда сплошной океан, температура которого приближалась бы к минус двумстам градусам. Примерно такую картину могут встретить первые путешественники на планетах-гигантах нашей Солнечной системы — Сатурне и Юпитере.

И совсем иное явление ждет космонавтов, высадившихся на Луне. Луна мала. Притяжение ее в  несколько раз слабее, чем притяжение Земли. И атмосферы на Луне поэтому почти нет! Слишком разреженный газ окружает наш спутник, чтобы называть его атмосферой. На Земле ни один инженер еще не сумел построить такой насос, который мог бы откачать воздух хотя бы из маленького сосудика до «лунного разрежения». Всегда, даже после самой тщательной откачки, в сосуде остается очень много молекул, гораздо больше, чем людей на земном шаре Вот так «пустота»!

Естествоиспытатели  прошлых веков принимали за пустоту  просто разную степень разрежения воздуха. И когда ртутный столбик в  барометрической трубке падал до нуля, наивно считали, что «пустота»  достигнута. Поэтому в ранних исследованиях  «пустоты» встречается много  ошибок и противоречий. Грубые насосы, грубые измерительные приборы показывали то одни результаты, то другие.

Прошло немало времени, прежде чем ученые поняли: получить «пустоту» при помощи воздушного насоса — несбыточное желание. Надо довольствоваться разрежением и  тщательно исследовать его свойства.

 

 

 

 

Помните опыт фон Герике с несчастной птицей, посаженной в откачиваемый стеклянный шар? Крылатая пленница погибла, едва в сосуде возникло разрежение. Так же погибла и рыба под воздушным колпаком Бойля, завяли растения, лишенные живительного воздуха.

«Ничто живое  не живет без воздуха», — писали в своих книгах ученые. И это  было истиной.

Воздух необходим  и для горения. В разреженной  атмосфере свеча гасла. Это важное свойство очень пригодилось людям  в дальнейшем, и его полезно  запомнить.

Интересно и  то, что чуть-чуть подогретая вода при  понижении давления бурно закипает. Значит, разрежение уменьшает температуру  кипения.

Но, с другой стороны, нагреть что-либо, помещенное в откачанном сосуде, необыкновенно  трудно. Создается впечатление, будто  разрежение задерживает тепло. Да и  не только тепло, но и звук.

Сначала люди только отмечали эти факты. Регистрировали и накапливали, не умея объяснить.

Теперь мы знаем, например, что воздух необходим  для дыхания. Кислород, содержащийся в нем, помогает организму окислять — перерабатывать — пищу и освобождать  энергию, необходимую для жизни. Именно поэтому путешественники  в другие миры прежде всего позаботятся о воздухе. Воздух прежде всего, потом уже пища. Горение — то же окисление, но протекающее, обычно, с выделением большого количества тепла и сопровождающееся свечением.

А если нагревать  вещество в разреженной атмосфере? Что ж, нагреваться оно будет, может даже раскалиться и засветиться  ярким светом. Но оно не окислится  и, следовательно, не будет гореть. Без  воздуха не сгорит ни уголек, как  бы его ни нагревали, ни проволока, по которой пропускают электрический  ток. Расплавиться может, а сгореть  не сгорит.

На столе  стоит стакан с водой. Заметим  уровень, до которого налита жидкость. Проходит день, проходит другой. Уровень  воды в стакане понижается. Пройдет  еще некоторое время, и стакан опустеет вовсе. Вода испарится. Почему?

Частички  жидкости, так же как и частички газа, непрерывно движутся. Некоторые, наиболее быстрые, оказавшись на поверхности, вырываются из общего плена и уносятся в пространство. Не всем это, конечно, удается. Многие, едва выскочив, сталкиваются с молекулами воздуха и возвращаются обратно. Все же кое-кто да улизнет Одна за другом, одна за другой — и стакан пустеет.

Однако наполним стакан снова и поставим под воздушной колокол. Из-под колокола откачаем воздух.. В разреженном пространстве вылетевшим из жидкости молекулам дорога открыта. Никто их не отталкивает, не гонит обратно в стакан. Потому и жидкость быстрее испаряется. Значит, мокрое белье в разреженном воздухе должно высыхать быстрее, нежели в обычных условиях. Поэтому и высокогорные озера теряют на испарение куда больше влаги, чем те, что находятся в долинах.

Проведем  простой опыт. Нальем в стеклянную колбу воду и станем нагревать  ее над пламенем горелки. Спустя немного  времени вода закипит. Теперь быстро заткнем горлышко колбы пробкой, только поплотнее, чтобы не выскочила, а колбу перевернем и пустим на ее донышко сильную струю холодной воды.

Казалось  бы, кипение должно прекратиться. Ничуть не бывало. Под охлаждающей струей вода в колбе кипит и булькает ничуть не меньше, чем над пламенем горелки. Что за чудо?

Давайте разберемся. Когда вода только что сильно закипела, струя пара вытеснила часть находившегося  в колбе воздуха. Его место  занял пар. Но стоило заткнутую пробкой  колбу облить холодной водой, как  пар сжался и превратился снова  в воду. В колбе возникло разрежение. А при разрежении вода кипит при  более низкой температуре. Вот и  ответ на маленькое чудо!

Опытные альпинисты нередко подшучивают над новичком, предлагая ему высоко в горах  сварить, например, кашу. Долго приходится ждать незадачливому повару, пока разварится крупа... Теперь осталось выяснить, почему разрежение почти не проводит тепло. Правда, сначала следовало бы договориться, что понимать под самим термином «тепло».

Мы уже  убедились, что молекулы жидкости под  влиянием нагрева движутся гораздо  быстрее. Словно их кто-то подгоняет. Словно они получают откуда-то добавочную энергию для движения Эта энергия и есть тепло.

То же самое  происходит и с газом. Чем больше сообщить газу, например воздуху, энергии (тепла), тем ретивее будут двигаться  его молекулы, тем чаще они будут  сталкиваться с соседними, подгонять их. И тепло распространится дальше и дальше.

В разреженном  воздухе осталось мало молекул газа, и потому нелегко им столкнуться  друг с другом и перенести тепло  из одной точки пространства в  другую. Вот и получается, что  разрежение — прекрасный теплоизолятор!

Первым эту  мысль решил использовать английский физик и химик, член Лондонского  Королевского общества Джемс Дьюар. В самом конце прошлого столетия Дьюар столкнулся с неразрешимой, казалось бы, трудностью: как хранить охлажденные до чрезвычайно низкой температуры газы? Ни шуба, ни погреб не защищали с трудом добытые капризные жидкости от всепроникающего тепла.

Тогда-то Дьюар вспомнил о разрежении и его свойствах. Ученый заказал стеклодуву бутылку с двойными стенками. А у себя в лаборатории, присоединив воздушный насос к межстеночному пространству, выкачал из него воздух. Задача была решена. Сверххолодные жидкости жили в сосуде Дьюара раз в десять дольше, чем в любом другом. Со временем Дьюар усовершенствовал сосуд, покрыв его стенки, обращенные внутрь, в разрежение, блестящей серебряной пленкой. Пленка защищала содержимое сосуда от тепловых лучей, отражала их еще лучше, оберегала холод.

Сосуд Дыоара хорошо известен каждому. Это термос;

в нем долго  не остывает горячая жидкость, долго  не согревается холодная. Обычно сам  сосуд запакован в жесткий  корпус, чтобы хрупкое его стекло не разбилось.

Все эти свойства разреженного воздуха открыты много-много  лет назад.

Как же используют их, как теперь заставляют работать на человека?

 

 

 

 

 

 

(*******)

 

Что общего у  здоровья и пустоты? На первый взгляд — ничего. Более того, лишенный живительного воздуха мир — враг человеку, враг всему живому. И все-таки...

Представьте себе на минуту картину: пустыня, камни, песок, а над головой раскаленное  знойное солнце. Все живое попряталось  в темные норы, забилось под скалы, зарылось в сухую, пережженную землю. Все ли? Нет, в хаосе нагроможденных осколков то и дело мелькают выгоревшие добела шляпы археологов. Люди не сдаются  солнцу, люди сильнее пустыни. Здесь  в обвалах группа ученых обнаружила следы древних поселений. Но если в центре пустыни жили люди, значит, и пустыня была здесь не всегда. Может быть, именно здесь, под раскаленными камнями, скрыт ключ к великой  тайне. Ключ, который сторожат только время и песок...

Мелькают  лопатки, с сухим шорохом катятся  по склонам осколки камней. И вдруг  — крик. Крик страшный, полный ужаса  и боли. Как черная молния, метнулась  от скалы огромная гюрза. Бросок, удар по ноге, резкая боль, как от ожога, и... все И снова пусто вокруг. Лишь в струях горячего воздуха колышутся и пляшут верхушки барханов. Человек молчит. С ужасом смотрит он на свою ногу с двумя крошечными розовыми точками выше колена. Человек знает: яд гюрзы, одной из самых ядовитых змей нашей страны, осечек не дает. Нельзя терять ни одной секунды. Счет времени идет на мгновения. Тугая перетяжка — и острый, прокаленный в огне спиртовки нож делает два крестообразных надреза. Раз и еще раз Из надрезов выступают капельки крови. Той самой, в которую уже проник яд. Ее надо удалить во что бы то ни стало. Но под руками нет никаких медицинских аппаратов. И тогда на помощь приходит метод, хорошо известный еще в глубокой древности. Яд нужно высосать из ранки вместе с кровью. Так лечили не только укусы ядовитых змей. В далекие времена, когда познания человека в медицине оставляли желать много лучшего, знахари и шаманы высасыванием лечили многие раны. И пациенты выздоравливали. Причем, эти раны заживали гораздо быстрее, чем обработанные любыми другими средствами.

С незапамятных времен врачи прописывали банки  при простуде, использовали пониженное давление для лечения самых разных недугов, в общем, пользовались игл  вовсю, нимало не задумываясь о том, что работает-то на них пустота.

Но настало  время, когда пришлось человеку поразмыслит» о своем союзнике Случилось это так.

1943 год. Трудное  и жестокое время. Война с  фашистской Германией. Искалеченных, истекающих кровью людей везут  на восток. В каждом городе  — госпитали. Больницы переполнены.  Раненых размещали в зданиях  школ, и ребята превращались в  санитаров В стране не хватало перевязочных материалов. Командующий медицинской службой Ленинградского фронта предложил молодому военному врачу Александру Софронову подумать над тем, как изготовить аппарат, который позволял бы обрабатывать раны, экономя перевязочные материалы.

Задание не из легких, особенно если учесть, что ответ  нужно было дать в самое короткое время. И тогда хирург Софронов вспомнил, как, будучи еще курсантом ленинградской  Военно-медицинской академии, он усовершенствовал обыкновенный фонендоскоп (аппарат  для выслушивания), превратив его  в присоску. Мягкие, эластичные края небольшой резиновой воронки  прижимались к груди больного, вытесняли воздух и, присосавшись, отлично  держались, не требуя пальцев доктора. Это устраняло посторонние шорохи, шумы в приборе. Выходит, что вакуум способен производить механическую работу без постороннего вмешательства...