— Закон Авогадро, сформулированный Амедео Авогадро в 1811 году, утверждает, что при одинаковых условиях давления и температуры одинаковые объемы разных газов содержат одинаковое количество молекул.
— Закон Грэма, сформулированный Томасом Грэмом в 1829 году, утверждает, что движение молекул двух или более газов дает в результате смешение молекул, в закрытой емкости такое смешение быстро образует гомогенную массу. Однако этот процесс меняется при наличии возможности для газа выйти из емкости через маленькие отверстия, или поры (так называемая эффузия газа). Скорость эффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню плотности газа.
* * *
Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH3) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO2) с помощью охлаждения, хлора (Cl2) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO2), диоксид серы (SO2), оксид азота (N2O), этилен (C2H4), моноксид азота (NO), аммиак (NH3), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl2), сульфгидрильная кислота (SH2), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H2), кислорода (O2), азота (N2) и моноксида углерода (CO).
В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 ºС. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость.
Все эксперименты подкрепляли атомные гипотезы той эпохи. В случае с водой, например, объяснялось, что плотность жидкости выше плотности газа, соответственно при сжатии газа возможно сжать или приблизить друг к другу атомы, при этом будет «выжиматься» теплота. Также существовало мнение, что можно сжижать вещества при достаточном охлаждении на основании того, что при нагревании они испаряются. В течение XIX и первой половины XX века было выяснено: все вещества могут становиться твердыми или, по крайней мере, сжижаться до достижения температуры -273ºC, что является наименьшей теоретически возможной температурой.
Портрет Фарадея, написанный в 1842 году Томасом Филлипсом.
Безопасная лампа, изобретенная Гемфри Дэви.
Аппарат для сжижения газов, придуманный Луи-Полем Кайете. Гравюра опубликована в журнале Scientific American в 1878 году.
В заключение можно сказать, что все газы могут быть сжижены, но существуют температурные пределы, выше которых сжижение некоторых газов невозможно даже при воздействии на них колоссальным давлением. Этот предел называется критической температурой газа. Также существует величина критического давления, измеряемая в атмосферах
[1], определяющая необходимую величину давления для сжижения газа при его критической температуре.
Так, для углекислого газа критическая температура равна 31ºС, критическое давление — 73 атмосферам; для кислорода — 119ºC и 50 атмосфер; для азота — 147ºC и 34 атмосферы; для аммиака — 132ºС и 112 атмосфер.
СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ
Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться признания. Эти установки ученый почерпнул в книге «Совершенствование разума» (1815, The improvement of the mind) Исаака Уоттса (1674–1748), которую он в юности переплетал в книжной лавке Рибо.
Истина все же скорее возникает из ошибки, чем из спутанности.
Афоризм Фрэнсиса Бэкона, который больше всего ценил Фарадей
Уоттс говорил, что в первую очередь нужно поддерживать обширную переписку. В течение своей жизни Фарадей обменивался письмами с учеными и экспертами по всем дисциплинам. Также необходимо иметь сотрудников, с которыми можно обсуждать идеи. Фарадей сразу понял, что научная работа — это не борьба героев-одиночек в поисках ускользающей правды, это скорее обмен мнениями, сотрудничество. По мере возможности необходимо избегать деструктивных споров: личные конфликты никаким образом не способствует поиску научного знания.
* * *
Записи прославленных умов
Интеллектуал, всегда носящий с собой блокнот для записи мыслей и открытий, является традиционным образом, возникшим много веков назад. Эразм Роттердамский (1466–1536), например, обычно делал записи в книгах, которые читал, усваивая их идеи, а также удерживая в памяти информацию, которую удалось почерпнуть.
Он предлагал студентам и профессорам носить с собой блокнот, организованный по темам. Это же советовал и Сенека: «Мы должны подражать пчелам: вычитанное из разных книг разделять, потому что порознь все сохраняется лучше». В эпоху Возрождения студенты, как правило, носили при себе тетрадь, называемую книга общих мест, или просто общие места, в которую записывали все, что было достойно запоминания.
Фрэнсис Бэкон замечал, что «с трудом можно найти что-либо более полезное […], чем хорошее и мудрое обобщение записей из общих мест».
По словам преподавателя лингвистики Американского университета Наоми Барон, в XVIII веке книга общих мест была «средством выражения, хроникой интеллектуального развития». Тетради для записи всегда вел и Чарльз Дарвин, благодаря чему мы можем шаг за шагом проследить, как он пришел к теории об эволюции видов. Джон Локк начал вести такие тетради в 1652 году, на первом курсе Оксфорда.
Тетрадь Чарльза Дарвина, 1837 год. B ней впервые можно увидеть диаграмму в форме дерева, лежащую в основе эволюционной теории
