Các nhà khoa học làm thế nào để có thể biến thể khí thành thể lỏng?
Thông thường, nhiệt độ dưới 0°C được coi là nhiệt độ thấp. Nhưng vào năm 1971, theo kiến nghị của Hội nghị Quốc tế về Chế độ lạnh, nhiệt độ thấp được chia thành ba khu vực: nhiệt độ phổ thông từ 273 K đến 120 K, nhiệt độ thấp từ 120 K đến 0,3 K, và nhiệt độ cực thấp dưới 0,3 K. Trong kỹ thuật, quá trình làm lạnh thông thường được gọi là kỹ thuật chế lạnh, còn kỹ thuật đạt tới nhiệt độ thấp và siêu thấp được gọi là kỹ thuật nhiệt độ thấp.
Người đầu tiên tập trung nghiên cứu hướng nhiệt độ thấp là nhà vật lý, nhà hóa học Faraday (1791 - 1867). Ông lợi dụng các chất khí đã được hóa lỏng để đạt tới nhiệt độ thấp. Vật chất thông thường có ba trạng thái: khí, lỏng và rắn. Vật lý gọi đó là ba pha. Sự thay đổi trạng thái của vật chất được gọi là sự chuyển pha. Khi nhiệt độ giảm dần, chất khí có thể chuyển sang trạng thái lỏng rồi tiếp tục biến thành trạng thái rắn. Ví dụ, hơi nước gặp lạnh sẽ thành sương, hóa lỏng thành nước, còn nước ở nhiệt độ thấp sẽ đóng băng. Tương tự, khí clo, oxy hay carbon dioxide đều có thể được hóa lỏng.
Khí hóa lỏng được điều chế ở nhiệt độ thấp dựa trên nguyên lý chuyển pha trong vật lý. Khi cho clo ở dạng tinh thể vào nước đặt ở một đầu ống và dùng lửa đun nóng, hợp chất của nước với clo bị phân giải, giải phóng khí clo và tạo ra áp suất cao. Một đầu ống được nhúng vào chất làm lạnh, khí clo dưới áp suất cao gặp nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ thành chất lỏng. Làm tương tự với khí carbon dioxide, nó sẽ hóa lỏng ở nhiệt độ âm 78°C. Faraday và các nhà khoa học khác từng hy vọng có thể hóa lỏng tất cả các loại khí. Nhưng do tri thức thời đó còn hạn chế, họ cho rằng các khí như hydro, oxy, nitơ, carbon monoxide và methane là những khí không thể hóa lỏng, nên gọi chúng là “thể khí vĩnh cửu”.
Sau đó, Kelvin và Joule làm thí nghiệm và phát hiện rằng khi khí giãn nở đi qua một vật có nhiều lỗ nhỏ, nhiệt độ của nó sẽ thay đổi theo sự giảm áp suất. Ở nhiệt độ và áp suất bình thường, những khí như không khí, oxy, nitơ, carbon dioxide... sau khi giãn nở cách nhiệt sẽ giảm nhiệt độ, còn khí hydro lại tăng nhiệt độ. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy mỗi loại khí đều có một nhiệt độ chuyển hóa riêng. Cao hơn nhiệt độ chuyển hóa, khi giãn nở thì nhiệt độ tăng; thấp hơn nhiệt độ chuyển hóa, khi giãn nở thì nhiệt độ giảm. Nhiệt độ chuyển hóa trung bình của oxy, không khí và carbon dioxide cao hơn nhiệt độ phòng, vì vậy trong điều kiện bình thường, sau khi giãn nở, các khí này sẽ lạnh đi.
Từ đó có thể kết luận: nếu để khí giãn nở qua các đường ống cách biệt với môi trường bên ngoài, nhiệt độ sẽ giảm, khiến nhiệt độ ban đầu tiếp tục hạ xuống dưới mức chuyển hóa. Phương pháp hạ nhiệt này trong vật lý được gọi là hiệu ứng Joule. Đây là một trong những phương pháp cơ bản nhất để tạo nhiệt độ thấp. Cũng theo nguyên lý đó, khi khí đi qua lỗ nhỏ và áp suất thay đổi từ cao xuống thấp, nó giãn nở trong điều kiện cách nhiệt với môi trường bên ngoài, tạo ra hiệu ứng làm lạnh. Đồng thời, một nhà khoa học người Anh đã nghiên cứu và phát hiện thể tích, áp suất và nhiệt độ của khí có liên quan mật thiết với nhau. Khí chỉ hóa lỏng khi đạt tới một nhiệt độ nhất định, gọi là nhiệt độ tới hạn. Điều này làm rõ hơn nguyên lý hóa lỏng khí và chứng minh quan điểm “thể khí vĩnh cửu” là sai.
Sau này, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu những “thể khí vĩnh cửu”. Năm 1877, nhà khoa học Thụy Sĩ Raoul P. Pictet lần đầu tiên hóa lỏng được oxy. Cùng năm đó, nhà khoa học Pháp Louis P. Cailletet cũng dùng nguyên lý giãn nở cách nhiệt để hóa lỏng oxy thành công. Ông đưa oxy vào một ống thủy tinh bịt kín bằng thủy ngân, sau đó dùng nước bịt kín và dùng máy ép thủy lực để tăng áp lực. Khi đạt điều kiện khoảng âm 29°C và 300 atm, ông đột ngột xả áp lực của máy nén thủy lực, khiến oxy trong ống giãn nở cách nhiệt, nhiệt độ giảm mạnh và oxy bị hóa lỏng. Phương pháp này về cơ bản giống các phương pháp chinh phục “thể khí vĩnh cửu” khác.
Các nhà khoa học Ba Lan cũng đã hóa lỏng thành công không khí, oxy và nitơ. Năm 1898, nhà khoa học người Anh James Dewar lần đầu tiên hóa lỏng thành công hydro, đồng thời phát minh ra bình Dewar dùng chân không để chứa chất lỏng ở nhiệt độ thấp. Năm 1908, nhà khoa học Heike Kamerlingh Onnes thuộc Đại học Leiden, Hà Lan đã hóa lỏng thành công khí heli ở nhiệt độ 4,2 K. Từ đó, những “thể khí vĩnh cửu” đều đã bị chinh phục.
