Գերհաղորդականություն։ Փաստեր և հեռանկարներ

Քվանտ 2025, 2
Հեղինակ՝ Լ․Բելոպուխով
Թարգմանիչ՝ Կարինե Խառատյան

Գրեթե նույն վերնագրով «Քվանտ» ամսագրի 1988թվականի 6-րդ համարում տպագրվել էր Նոբելյան մրցանակի դափնեկիրներից մեկի՝  Ալեքսեյ Աբրիկոսովի «Հանուն գերհաղորդականության» հիանալի հոդվածը։ Սակայն այդ ժամանակից ի վեր անցել է ավելի քան 36 տարի։
Այս հոդվածն ավելի մանրամասն է անդրադառնոմ ցածր ջերմաստիճանների (ազոտային, ջրածնային և հելիումային) ստացման պատմությանը, առանց որոնց գերհաղորդականության հայտնագործումը և դրա օգտագործումը անհնար կլիներ։ Եվ, իհարկե պատմվում է գերհաղորդականության այն կիրառությունների մասին, որոնք գոյություն ունեն մեր օրերում։

Գերհաղորդականության երևույթը հայտնաբերվել է բավականին վաղուց՝ գազերի հեղուկացման համար ցածր ջերմաստիճանների ստացման աշխատանքների ընթացքում։ Գազը հեղուկի վերածելն առաջին հայացքից բավականին հեշտ է՝ բավական է այն, ինչպես հարկն է սեղմել։ Օրինակ՝ կենցաղային բալոնային գազը՝ պրոպանը, որը սեղմված է մինչև 1,6ՄՊա, սենյակային ջերմաստիճանում  հեղուկ է հանդիսանում, որը 27 լիտրանոց բալոնում տեղավորում է 11 կիլոգրամ։ Հարմար է փոխադրման և պահպանման համար։

  Ալեքսեյ Ալեքսեի Աբրիկոսով

Ցածր ջերմաստիճանների ստացում։ Գազերի հեղուկացում

Դեռևս 1850-ական թվականներին գիտնականները (այդ թվում՝ Դ. Ի. Մենդելեևը) պարզել են, որ գազը սեղմելու միջոցով հեղուկի կարող է վերածվել միայն այն դեպքում, եթե դրա ջերմաստիճանը ցածր լինի որոշակի առավելագույն արժեքից /կրիտիկական/։ 1873 թվականին հոլանդացի ֆիզիկոս Յոհաննես Դիդերիկ Վան դըր Վալսը (1837 — 1923) իր դոկտորական ատենախոսության մեջ առաջարկեց նյութի վիճակի կիսաէմպիրիկական հավասարումը, որը կիրառելի է ինչպես գազային, այնպես էլ հեղուկ վիճակի համար։ Այդ հավասարումից հետևում էր նաև որոշ միջանկյալ վիճակի գոյության հնարավորությունը, որի պարամետրերը (ճնշում, խտություն և ջերմաստիճան) Վան Դըր Վալսն անվանեց կրիտիկական։ Այսպիսով, նյութի կրիտիկական ջերմաստիճանը ստացավ իր գիտական հիմնավորումը։ Պրոպանի համար այդ ջերմաստիճանը բավականի բարձր է՝ 370Կ(97): Սակայն շատ գազերի համար այն 0Օրինակ՝ մեթանի համար այդ ջերմաստիճանը 191Կ է( — 82), թթվածնի համար՝ 155Կ( — 119), ազոտի համար՝ 127Կ (-146): Ամենացածր  արժեքն ունի հելիումը՝ 5,2Կ(-267,9):

Վան Դըր Վալսի եզրակացությունները հիմնված էին նյութի մոլեկուլակինետիկական պատկերացումների վրա, որոնք այն ժամանակ դեռ շատ ֆիզիկոսների կողմից ընդունված չէին։ Եվ միայն 1910 թվականին (37 տարի անց), երբ արդեն բոլոր ֆիզիկոսները ճանաչել էին ատոմների և մոլեկուլների գոյությունը, Վան դեր Վալսը ստացավ արժանի Նոբելյան մրցանակը հետևյալ ձևակերպմամբ․ «Գազերի և հեղուկների վիճակի հավասարման վրա կատարած աշխատանքի համար»։
Այդ ժամանակ կրիտիկական ջերմաստիճանի հասկացությունն արդեն ամուր տեղ էր զբաղեցրել գազերի հեղուկացման պրակտիկայում։

Հեղուկացման ջերմաստիճանը պարտադիր պետք է լինի կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր։  Այդ հեղուկացման ջերմաստիճանը կարող է զգալիորեն կախված լինել ճնշումից։ Այդ պատճառով էլ աղյուսակներում սովորաբար բերում են եռման ջերմաստիճանները մթնոլորտային ճնշման պայմաններում, այսինքն՝ այն ջերմաստիճանները, որոնց դեպքում «գազային  հեղուկը» սկսում է եռալ։ Պրոպանի համար դա 231Կ(-42) է, մեթանի համար՝ 112Կ(-161), թթվածնի համար՝ 90Կ (-183), ազոտի համար՝ 77 Կ (-196), ջրածնի համար՝ 20,1Կ, հելիումի համար՝ 4,2Կ է։

Իսկ որտե՞ղ կարելի է գտնել նման ցածր ջերմաստիճաններ։ Երկիր մոլորակի վրա երբևէ գրանցված ամենացածր ջերմաստիճանը արձանագրվել է Անտարկտիդայի «Վոստոկ» կայանում՝ 1983 թվականի հուլիսի 21-ին՝ — 89,2։ Տիեզերքում իհարկե կան ավելի ցածր ջերմաստիճաններ։ Արևային համակարգի մարմինների վրա ամենացածր ջերմաստիճանը կազմում է 33 Կելվին( -240 )։ Որքան էլ տարօրինակ թվա, դա նկատվում է ոչ թե արևից ամենահեռու մոլորակների վրա, այլ՝ Երկրին շատ մոտ՝ Լուսնի որոշ շատ խորը խառնարանների հատակին, որտեղ երբեք արևի լույս չի հասնում։ Իսկ Տիեզերքում ամենացածր ջերմաստիճանն արձանագրվել է Բումերանգ նախամոլորակային միգամածության մեջ, որը գտնվում է Երկրից 5000 լուսատարի հեռավորության վրա և այն կազմում է ընդամենը 1 Կելվին։ Սա նույնիսկ ավելի ցածր է, քան տիեզերքի մնացորդային (ռելիկտային) ճառագայթման ջերմաստիճանը, բայց այդուհանդերձ, դա դեռ բացարձակ զրո չէ։ Երկրի վրա ցածր և գերցածր (կրիոգենային) ջերմաստիճաններ ստանալը լաբորատոր և տեխնիկական պայմաններում  վաղուց դարձել է արդեն հնարավոր։ Սկզբում նպատակ կար հասնել մի քանի տասնյակ Կելվին ջերմաստիճանի, հետո էլի մի քանի Կելվին ջերմաստիճանի, իսկ այսօր արդեն գիտական լաբորատորիաների միջև մրցակցություն է ընթանում, թե որքանով է հնարավոր մոտենալ բացարձակ զրոյին։ Այս փորձարկումների ընթացքում հասել են զարմանալի հաջողությունների։ Այսօր «Աշխարհի ռեկորդը» կազմում է 3,8*10-11   Կելվին, այսինքն՝ 38 պիկոկելվին (Գերմանիա, Բրեմենի համալսարանի հետազոտական կենտրոն)։ Բայց առհասարակ ինչո՞ւ է անհրաժեշտ հասնել ցածր և գերցածր ջերմասատիճանների, ինչի՞ համար են պետք հեղուկացված գազերը։ Դիտարկենք մի քանի պատճառ։

Նախ դա գիտական հետաքրքրասիրության բավարարման, դրանում  հետազոտական աշխատանքների իրականացման մոլուցքի արդյունքն է։  Ինչևէ։ Սա ընդհանրապեես գիտության առաջընթացի շարժիչ ուժն է։ Ինչպես ասել է Էնրիկո Ֆերմին․ «Սա առաջին հերթին շատ հետաքրքիր ֆիզիկա է», երբ 1942 թվականի դեկտեմբերի 2-ին ստեղծեց և գործարկեց աշխարհի առաջի միջուկային ռեակտորը, որը նախատեսված էր պլուտոնիում ստանալու համար՝ ատոմային ռումբի արտադրության նպատակով։

Երկրորդ պատճառը նյութերի հատկությունների և դրանց վարքագծի ուսումնասիրությունն է ցածր ջերմաստիճաններում։  Այդ պայմաններում նյութերի հատկությունները զգալիորեն կարող են տարբերվել սովորական ջերմաստիճաններում  ունեցած իրենց իսկ հատկություններից ու վարքագծից։ Մեծ գիտական նշանակություն ունի քիմիական ռեակցիաների ուսումնասիրությունը այն պայմաններում, երբ մասնիկների խառնաշփոթ շարժման արագությունները  դառնում են չափազանց փոքր, և ռեակցիաների ընթացքի համար ավելի նշանակալի են դառնում մոլեկուլների միջև գործող փոխազդեցության ուժերը։  Քիմիական լաբորատորիաներում ոչ հազվադեպ կարելի է տեսնել հեղուկացված ազոտով, երբեմն էլ նույնիսկ հեղուկ հելիումով լցված բալոններ։

Նյութերի հատկությունները ցածր ջերմաստիճանում իմանալը անհրաժեշտ և  շատ կարևոր է նաև մարդկանց  գործունեություններում, օրինակ արկտիկական, հատկապես անտարկտիկական գիտական ուղևորությունների (էքսպեդիցիաների) ժամանակ։

Այսպես օրինակ, ցածր ջերմաստիճաններում օլովոյի (թիթեղի)  հատկությունների մասին ոչ բավարար իմացության հետևանքը դարձավ ողբերգական ավարտի պատճառ մի գիտական ուղևորության,  որը վարում էր Ռոբերտ Սկոտը Հարավային բևեռում 1912 թվականին։

Այս գիտական ուղևորության ժամանակ օլովոն օգտագործվում էր որպես հիմնական տարր բիդոնների կարերի զոդման համար, որոնցում պահվում էր կերոսինը՝ անտարկտիդյան սառնամանիքի ժամանակ միակ ջերմության աղբյուրը։

Բայց ինչպես արդեն գիտենք, օլովոն  (- 33) -ից ցածր ջերմաստիճանում ենթարկվում է ալոմորֆային փոխակերպման՝  իր բյուրեղային կառուցվածքում։ Սպիտակ օլովոն վերածվում է մոխրագույնի, եթե սպիտակ օլովոն պլաստիկ խառնուրդ է,  ապա մոխրագույնն արդեն փոշի է։  Եվ եթե զոդման խառնուրդում օլովոն գերակշռի կապարից, ապա ցածր ջերմաստիճանում կարերը կարող են քանդվել։ Եվ ահա վերադարձի ճանապարհին՝ նպատակակետին հասնելու ժամանակ  Սքոտը և իր արշավախումբը մնացին գրեթե առանց կերոսինի և սառեցին՝ իրենց բազայից ընդամենը 17 կիլոմետր հեռավորության վրա։ Վերջինը գիտակցությունը կորցրեց հենց ինքը՝ Ռոբերտ Սքոտը, ով գիտության համար մինչև վերջին շունչը գրառումներ էր կատարում իր օրագրում՝ նկարագրելով ողջ կատարվածը։

Այս ողբերգության արձագանքը հատկապես ծանր ընդունվեց այն պատճառով, որ դեպի հարավային բևեռ միաժամանկ ուղևորվել էին երկու գիտական արշավախմբեր՝ անգլիացիների արշավախումբը, որը ղեկավարում էր Ռոբերտ Սքոտը, և նորվեգացիների արշավախումբը, որը ղեկավարում էր Ռաուլ Ամունդսենը։ Այս մրցավազքում հաղթեց նորվեգական արշավախումբը, որը հասավ հարավային բևեռին 1911 թվականի դեկտեմբերի 14-ին։ 34 օր անց բևեռին հասավ նաև Ռոբերտ Սքոթի խումբը։ Եվ պատկերացնում եք անգլիացիների զարմանքն ու տխրությունը, երբ այսպես ասած «Աշխարհի հատակում» տեսան նորվեգական դրոշը և հասկացան, որ իրենցից առաջ հարավային բևեռն արդեն գրաված էր։

Ցածր ջերմաստիճաններում նյութերի հատկության մասին չիմացության պատճառով ողբերգություն տեղի ունեցավ նաև մեր օրերում․ 1986 թվականի հունվարի 28-ին ամերիկյան տիեզերանավ «Չելենջերը» մեկնարկեց և ընդամենը մի քանի վայրկյան անց վթարի ենթարկվեց։ Զոհվեցին  յոթ տիեզերագնացներ, այդ թվում՝ երկու կին։ Այս անհաջողության պատճառն էր պինդ վառելիք օգտագործող հրթիռային շարժիչի այրման արտադրանքների արտահոսքը (այրումից առաջացած գազերի և այլնի)  կնքված( կարված, փակված) օղակների միջով։ Այդ օղակների նյութը փոխել էր իր մեխանիկական հատկությունները, քանի որ մեկնարկից առաջ Քանավերալի հրվանդանում օդի ջերմաստիճանը սովորականի ցածր էր՝ -8(սովորաբար լինում էր 0-ից բարձր)։

«Չելենջեր» հրթիռն այդ սառնամանիքային պայմաններում կանգնած էր մի քանի օր, դա բավարար էր եղել օղակների նյութական ձևափոխման համար։ Իհարկե հայտնի էր, որ շատ պոլիմերներ փոխում են իրենց հատկությունները հեղուկ ազոտի ջերմաստիճաններում (-196)։ Օրինակ՝ կաուչուկը դառնում է փխրուն, և ռեզինե մասերը քանդվում են՝ վերածվելով կտորտանքների այնպես, կարծես ապակուց պատրաստված լինեն, բայց ոչ ոք չէր սպասում, որ նման բան կարող է լինել նաև պլաստմասսայի հետ։

Մասնագիտական հանձնախումբը երկար ժամանակ չէր  կարողանում գտնել վթարի պատճառը։ Նրանց հաջողվեց պարզել միայն այն դեպքում, երբ այդ հանձնախմբի նախագահի՝ Ռոնալդ Ռեյգանի պահանջով այդ կազմում ընդգրկվեց անվանի ֆիզիկոս Ռիչարդ Ֆայնմանը (1918 — 1988), նա էլ հենց գտավ վթարի պատճառը և սառցե ջրի մեջ օղակը իջեցնելով՝ մամուլի ասուլիսի ընթացքում ցուցադրեց, թե ինչպես է այն կորցնում իր ձևը։ Վթարի պատճառը հայտնաբերելու համար Ֆեյնմանը ստիպված եղավ մանրակրկիտ ուսումնասիրել և վերլուծել հրթիռային շարժիչի բոլոր բաղադրիչների պատրաստման տեխնոլոգիան  և դրանց տեխնիկական ստուգման գործընթացը։ Այս հսկայական աշխատանքը նա իրականացրեց մի քանի ուռուցքային (օնկոլոգիական) վիրահատությունների միջև ընկած դադարների ընթացքում։

«Ես աշխատում էի ոչինչ չիմանալով, — հետո ասել էր Ֆեյմանը, — և ես ունեի ընդամենը մի փոքր ժամանակ այդ ամենը շտկելու համար»։

Որոշ կենսագիրների համոզմամբ և կարծիքով նա այս հետազոտությունը մինչև վերջ իրականացրեց ոչ այնքան հանձնախմբի նախագահի խնդրանքով, որքան որ իր սիրելի կնոջ շնորհիվ, ով համոզված էր, որ լարված ու նպատակային աշխատանքը լավագույն միջոցն է հիվանդության դեմ պայքարում, և նա էլ հենց համոզեց ամուսնուն ստանձնել այդ գործը։ Ինչևէ, այս պայքարում աշխատանքը կարողացավ  երկու տարվա լիարժեք կյանք հետ գրավել։

Նյութերի հատկությունները ցածր ջերմաստիճաններում ուսումնասիրելու գործում կարևոր տեղ է զբաղեցրել նյութերի էլեկտրական և մագնիսական հատկությունների ուսումնասիրությունը, այդ թվում՝ գերմղելիության (գերհաղորդելիության) երևույթի հետազոտությունը։ Եվ, վերջապես կա նաև երրորդ պատճառ՝ ցածր և գերցածր ջերմաստիճաններ ստանալու համար։ 19-րդ դարի երկրորդ կեսին մետալուրգիայի տեխնոլոգիական զարգացումը պահանջեց բարձր ջերմաստիճանով հալման վառարաններում թթվածնային մղման (փչման) կիրառումը։ Այս պահանջարկի արդյունքում գիտության մեջ առաջացավ հատուկ արդյունաբերական ճյուղ՝ հեղուկ թթվածնի արտադրության համար։ Այսօր գրեթե ամբողջ մետաղական արդյունաբերությունն անցել է թթվածնային մղման մեթոդի կիրառմանը։ Իսկ 20-րդ դարի երկրորդ կեսին հեղուկ ջրածինն ու հեղուկ թթվածինն ամբողջությամբ կիրառեցին որպես հրթիռային վառելիքի բաղադրիչներ։ Առանց դրանց անհնար կլիներ այն հսկայական առաջընթացը, որն ունեցավ մարդկությունն արեգակնային համակարգի և տիեզերքի ուսումնասիրության ժամանակ։ Իսկ ահա հեղուկ ջրածինը որպես վառելիք օգտագործող ավտոմեքենաների և գնացքների փորձարկումները մեկնարկել են արդեն բազմաթիվ երկրներում։ Ռուսաստանը նույնպես ետ չի մնում այդ հարցում։ Այժմ Ռոստեխի մի ձեռնարկությունում պատրաստվում է այդպիսի մեքենայի արտադրությունը, որը նախատեսված է Ռուսաստանի նախագահի ներկայացուցչական ավտոմեքենայի դերի համար։ Հեղուկ թթվածինը լայն կիրառություն գտավ նաև այլ ոլորտներում, օրինակ ապակու արտադրության մեջ, իսկ ահա հատուկ նշանակություն ստացավ  բժշկության մեջ։ Սա վերաբերում է ոչ միայն թթվածնային բարձիկներին, որոնցով հագեցված են հիվանդանոցներն ու դեղատները, այլ ավելի նշանակալից օգտագործմամբ։  Վերջին ժամանակների հաղթանակը կորոնավիրուսային համավարակի դեմ հիմնականում պայմանավորված էր ոչ թե շտապ ստեղծված պատվաստանյութերով, այլ հենց՝ թթվածնային դիմակների կիրառությամբ և յուրաքանչյուր մահճակալին թթվածնի մատակարարման համակարգի ներդրմամբ՝ հատուկ կառուցված հիվանդանոցներում։

Իհարկե կարևոր փաստ է  նշել նաև  այն հանգամանքը, որ հնարավոր եղավ բնական գազը հեղուկացված տեսքով տեղափոխել հատուկ տանկերով (LNG-թանկերներ)։ Չինաստանը, Հնդկաստանը, Ինդոնեզիան և մայրցամաքային Արևմտյան Եվրոպան բնությամբ ապահովված չեն բնական գազի պաշարներով։ Եվ հենց այդ պատճառով էլ ծովային փոխադրումների դերը՝ հեղուկացված բնական գազի՝  Քաթարից, ԱՄՆ-ից, Կանադայից և Ավստրալիայից, դարձել է առանձնապես կարևոր։ Չորրորդ պատճառն այն է, որն արժե առանձնացնել՝ գերծանր մագնիսական դաշտեր ստեղծելու համար ցածր ջերմաստիճանների ստացումը (մի քանի և նույնիսկ տասնյակ Տեսլա ուժգնությամբ), որոնք եղան համաչափ և կայուն՝ բավականին մեծ տարածության  մեջ։

Դժվար չէ համոզվել, որ դրա համար անհրաժեշտ են սոլենոիդներ, որոնց ոլորաններով անցնող հոսանքը հասնում է տասնյակ հազարավոր ամպերի։ Բացի այդ հոսքից առաջացող Ջոուլի ջերմությունը կարող է հալեցնել մետաղական լարերը և այրել մեկուսիչը։ Երբ մոտ 100 տարի առաջ Քեմբրիջում Պյոտր Լեոնիդովիչ Կապիցան ստեղծում էր ուժեղ մագնիսական դաշտեր, նա օգտագործում էր կարճ միացման հոսանքներ, որոնք ավերում էին էլեկտրական շղթաները։ Այդ դեպքում մագնիսական դաշտը գոյություն ուներ՝ չնայած շատ կարճ ժամանակով, բայց դա բավական էր միջատոմային պրոցեսները ուսումնասիրելու համար։ Միակ միջոցը երկարատև(ոչ իմպուլսային) ուժեղ մագնիսական դաշտեր ստեղծելու համար, դա գերկառուցողականության երևույթի կիրառումն է, որի դեպքում Ջոուլի ջերմությունը ամբողջությամբ բացակայում է։ Այս երևույթը՝ գերկառուցողականությունը, էլեկտրատեխնիկական մետաղական նյութերում (լարերում) առաջանում է սովորական ճնշման պայմաններում միայն չափազանց ցածր ջերմաստիճանների (մի քանի կելվին) դեպքում և միայն հեղուկ հելիումի օգնությամբ է հնարավոր ստեղծել և պահպանել այդպիսի ջերմաստիճան։ Առանց հեղուկ հելիումի անհնար կլիներ ստեղծել ժամանակակից հզոր արագացուցիչներ։

Բայց այսօր արդեն տեղի է ունեցել կտրուկ աճ՝ հեղուկ հելիումի արտադրության և գերկառուցողականության կիրառումը ոչ միայն գիտական նպատակներով, այլև մարդու կենցաղային կարիքների համար։ Սա կապված է ուժեղ մագնիսական դաշտերի կիրառման համար՝ մասնավորապես բժշկական ախտորոշման նպատակով։

Իսկ ինչպե՞ս են ստանում այն ցածր ջերմաստիճանները, որոնք անհրաժեշտ են գազերը հեղուկ դարձնելու և նյութերի հատկությունները այդպիսի ջերմաստիճաններում ուսումնասիրելու համար։ Եկեք կարճ դիտարկենք այս հարցը, քանի որ մանրամասն բացատրությունը մեզ կհեռացնի հոդվածի հիմնական թեմայի՝ գերկառուցողականությունից։ Կրիոգենային տեխնիկայի հիմնական մեթոդներն են՝

• հեղուկի սառեցում՝ դրա գոլորշիացման ժամանակ
• ջերմաստիճանի նվազեցում՝ գազի ադիաբատիկային  ընդարձակման միջոցով
• Ջոուլ-Թոմսնի մեթոդի օգտագործումը
• մագնիսական սառեցումը։

Գազի ջերմաստիճանը նվազեցնելու համար՝ մինչ կրիտիկականից ցածր մակարդակ, երբեմն բավական է նաև առաջին մեթոդը՝ սառեցումը հեղուկի գոլորշիացման ժամանակ։  Այս նպատակով առավել հարմար են օրգանական տարրեր պարունակող ֆտորային ածխաջրածինները, որոնք ստացել են ֆրեոններ կամ խլադոններ (հայտնի է շուրջ 40 տեսակ) անվանումները։

 Ֆրեոններ — այն միացություններ են, որոնք սովորաբար պարունակում են ֆտոր, ածխածին և պարբերաբար՝ քլոր կամ բրոմ։

Խլադոններ — նաև ֆտոր պարունակող միացություններ են, որոնք մի տեսակ ֆրեոնների խմբի հնաոճ անվանումն են։

Սառնարանի կամ սառցախցիկի պատերի ներսում հեղուկը գոլորշիանում է՝ ջերմություն վերցնելով խցիկի պարունակությունից։ Ֆրեոնի գոլորշին տեղափոխվում է մեկ այլ խցիկ, որտեղ կոմպրեսորը ճնշում է դրանք։ Գոլորշիները կոնդեսանցիայի ընթացքում ջերմություն են փոխանցում շրջապատին, որի մի մասը վերցված է սառնարանի խցիկից (ինչպես օրինակ՝ խոհանոցային սառնարանի ետևի պատը միշտ տաք է)։ Այսինքն՝ ջերմությունը փոխանցվում է ցածր ջերմաստիճանի մարմնից դեպի ավելի բարձր ջերմաստիճանի մարմին, տվյալ դեպքում՝ սառնարանի պարունակությունից դեպի սառնարանին շրջապատող միջավայր։ Բայց սա որևէ կերպ չի խախտում ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքը, որն արգելում է ինքնաբերական նման գործընթացները։ Սառնարանին դրա համար անհրաժեշտ է արտաքին ազդեցություն՝ կոմպրեսորի աշխատանքը (և դրա համապատասխան «վարձը»)։  Խոհանոցային սառնարաններում սառեցնող խցիկի աշխատանքային ջերմաստիճանը կազմում է  -18, իսկ սննդարդյունաբերական սառնարաններում՝ -35։ Որոշ գազերի հեղուկացման նպատակով օգտագործում են ավելի թանկարժեք խլադոններ, որոնք թույլ են տալիս ստանալ ավելի ցածր ջերմաստիճաններ։ Բայց մեկ է, այդ ջերմաստիճանները բավարար չեն այնպիսի գազերի հեղուկացման համար, ինչպիսիք են՝ մեթանը, թթվածինը, ազոտը, ջրածինը և հելիումը։  Ջերմաստիճանը նվազեցնելու մի պարզ մեթոդ է՝ գազի ադիաբատիկ ընդարձակումը, այսինքն՝ երբ գազը ընդարձակվում է և կատարում է աշխատանք։ Սառեցման սարքերում (դետանդերներ) գազի կատարած աշխատանքը կարող է արտահայտվել երկու կերպ՝ մխոցով շարժում (մխոցային դետանդերներ) կամ տուրբինի պտույտ (տուրբոդետանդերներ)։ Այս գործընթացների արդյունքում գազը սառչում է՝ ջերմաստիճանը նվազելով։ Գործընթացի արագությունն ապահովում է դրա ադիաբատային բնույթը, ինչի հետևանքով տեղի է ունենում ջերմաստիճանի նվազում։ Գործընթացը կրկնվում է մի քանի անգամ։ Ամեն անգամ սառեցված գազը նորից սեղմելու կարիք է լինում՝ անհրաժեշտ է կոմպրեսոր։ Սա նվազեցնում է սարքավորման օգտակար գործողության գործակիցը(ՕԳԳ) և բարձրացնում է հեղուկացված գազի արտադրության արժեքը։

Անցյալ դարի 30-ականներին (1930-ականներ), հայտնի ֆիզիկոս, ապագա նոբելյան մրցանակակիր, ակադեմիկոս Պյոտր Լեոնոդովիչ  Կապիցան առաջարկեց նոր կառուցվածքով տուրբոդետանդեր, որի դեպքում տուրբինի և կոմպրեսորի պտույտի առանցքը ընդհանուր էր։ Սառեցվող գազն այդ ընթացքում «աշխատում էր» սեղմելով հաջորդ գազային խմբաքանակը։ Սա զգալիորեն բարձրացրեց սարքի արդյունավետությունը (ՕԳԳ-ն), մեծացրեց դրա արտադրողականությունը և էժանացրեց արտադրությունը։ Բայց անհրաժեշտ եղավ մեծ աշխատանք՝ համապատասխան տեսակի տուրբինների և կոմպրեսորների ընտրության համար։ Եվ պատահական չէր, որ 1943 թվականին հենց Պ․Լ․Կապիցան նշանակվեց Ժողկոմխորհի գլխավոր վարչության պետ թթվածնի գծով։

Երկիրը (պետությունը)  խիստ կարիք ուներ հեղուկ թթվածնի օգտագործմանը մետաղաձուլական արդյունաբերությունում, և Կապիցայի որոշիչ մասնակցությունն այս գործում հազվադեպ օրինակ էր այն դեպքերի, երբ գիտնականը, ով զբաղվում էր գիտությամբ՝ ֆիզիկայով, ակտիվորեն ներառվում է նաև կիրառական գործերում։ Կարճ ժամանակում ԽՍՀՄ-ում հեղուկ թթվածնի արտադրությունը զգալիորեն ավելացավ, իսկ այսօր ամբողջ աշխարհում Կապիցայի տուրբոդետանդերները կազմում են գազերի հեղուկացման համակարգերի անբաժանելի մասը։

Այս համակարգերում օգտագործվում է նաև ջերմաստիճանի  մեկ այլ իջեցման մեթոդ՝ Ջոուլի-Թոմսոնի եղանակի միջոցով։ Այս եղանակը բացահայտվել է 1853-1854 թվականներին, երկու անգլիացի ֆիզիկոսների կողմից,  արդեն հայտնի Ջեյմս Ջոուլի(1818 — 1889) և նրա կրտսեր ընկեր ու գիտական գործընկեր Ուիլյամ Թոմսոնի (1824-1907), ով հայտնի  էր լորդ Քելվին անունով։ Նրանք փորձարարականորեն հաստատեցին, որ գազի ադիաբատային ընդլայնման դեպքում, առանց աշխատանքի կատարման, նրա ջերմաստիճանը փոխվում է։  Համաձայն գազի իդեալական կառուցվածքի, որտեղ մոլեկուլների միջև փոխազդեցության ուժեը անտեսվում են, նման բան չպետք է տեղի ունենար։  Քանի որ համաձայն ջերմադինամիկայի առաջին օրենքի, ներսի էներգիայի փոփոխությունը նման ընդլայնման դեպքում հավասար է զրոյի, հետևաբար ջերմաստիճանի փոփոխություն նույնպես չպետք է լինի, բայց այն կա։ Ի՞նչն է պատճառը։

Ջոուլն ու Թոմսոնը ենթադրեցին, որ ամեն ինչ պայմանավորված է գազի ոչ կատարյալ լինելով ( ոչ իդեալականությամբ)։ Թոմսոնն առաջարկեց REAL GAS տերմինը, որը երկար ժամանակ թարգմանվում էր որպես «իսկական գազ» կամ «իրական գազ»։ Մեր օրերում այդ ոչ կատարյալ գազը բոլոր տեղերում անվանվում է հենց իրական գազ։

Ի տարբերություն կատարյալ գազի կառուցվածքի՝ իրական գազերում անհրաժեշտ է հաշվի առնել մոլեկուլների միջև փոխազդեցության ուժերն ու դրանց պոտենցիալ էներգիան։ Դա հեշտ գործ չէ, քանի որ փոքր հեռավորությունների դեպքում  գործում են մոլեկուլների միջև վանող ուժերը, իսկ մի փոքր ավելի մեծ հեռավորությունների դեպքում՝ ձգողական ուժերը։ Երբ գազն ընդլայնվում է, սկզբում մոլեկուլների փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիան մեծանում է, ապա՝ սկսում նվազել։ Հետևաբար, եթե գազի ներքին էներգիան մնում է անփոփոխ, ապա սկզբում ջերմաստիճանը բարձրանում է, իսկ հետք էլ սկսում է նվազել։

Ջոուլի ու Թոմսոնի եղանակի փորձարարական հաստատման համար գիտնականներն առաջարկեցին սարքավորում, որի մեջ գազը բարձր ճնշման անոթից ընդարձակվելով անցնում էր մեծ ծավալ ունեցող անոթի մի ծակոտկեն միջնապատի միջոցով։  Այդ դանդաղ ընդարձակման դեպքում կարելի  էր անտեսել գազի կատարած աշխատանքը։ Ջերմաստիճանի փոփոխությունն այդ գործընթացում էլ հենց ստացավ Ջոուլ-Թոմսոնի եղանակ (մեթոդ, հնար) անվանումը։ Այս եղանակը անմիջապես  չգտավ գործնականում լայն կիրառություն, քանի որ 19-րդ դարի կեսերին նյութի մոլեկուլային պատկերացումները դեռ շատ ֆիզիկոսների կողմից չէին ընդունվում։ Եվ միայն 20 տարի անց Վադն Դեր Վալսն առաջինը տվեց Ջոուլ -Թոմսոնի եղանակի տեսական հիմնավորումը։ Եվ կրկին 20 տարի անց գերմանացի տաղանդավոր ինժեներ և ձեռնարկատեր Կարլ Ֆոն Լինդենը(1842 — 1934) սկսեց գործնականում օգտագործել Ջոուլ-Թոմսոնի էֆեկտը՝ հեղուկ թթվածին ստանալու համար սառեցնող սարքավորումների ստեղծման մեջ։  Լինդեի սառեցնող մեքենայում գազի դանդաղ ընդարձակումը կատարվում էր հատուկ ձևավորված փականով, որը շատ նեղ անցք ուներ՝ սահմանափակելով գազի հոսքի արագությունը։ Լինդեն այդ փականն անվանեց գերմաներեն Drossel բառով, իսկ ընդարձակման գործընթացը՝ դրոսսելացում։ Այս տերմինները լայն տարածում ստացան ժամանակակից տեխնիկայում, հատկապես էլեկտրատեխնիկայում և հասկացվում են որպես սահմանափակիչ և սահմանափակում։ Իսկ ջերմատեխնիկայում դրոսսելացումով հասկանում են ոչ միայն գազի անցումը նեղ անցքով, այլև՝ գազի ընդարձակումը ծակոտկեն միջնապատով։

Այսօր Ջոուլ-Թոմսոնի էֆեկտի (դրոսսելացման) կիրառման մասշտաբները շատ մեծ են։ Օրինակ՝ յուրաքանչյուր գազի հորում տեղադրված է դրոսսելացման համակարգ։  Բանն այն է, որ բնական գազը հաճախ է պարունակում ջրային գոլորշի․ հորից դուրս եկող գազի ջերմաստիճանը սովորաբար մի փոքր բարձր է 100-ից։ Շատ վտանգավոր է գոլորշին ուղղակիորեն տանել խողովակաշար, քանի որ այն կարող է վնասել մետաղական խողովակները։ Այդ պատճառով էլ գազը նախ դրոսսելացնում են, որից հետո էլ գազի ջերմաստիճանը դառնում է 100-ից ցածր, որպեսզի ջուրը հեղուկանա և չանցնի խողովակաշար։  Պատկերացնո՞մ եք, թե ժամանակակից աշխարհում ինչ չափով են օգտագործում  Ջոուլ -Թոմսոնի մեթոդը։