В годы, последовавшие за работами Майкла Фарадея, поиск способов охлаждения, приняли небывалый размах. Любопытно отметить, что поиски этих способов, шли не совсем в правильных направлениях. Слабая организованность научного и инженерного сообществ, не позволяла распространять в широкие массы заинтересованных людей всю информацию, касательно развития техник охлаждения. Именно эта ситуация, отчасти и стала причиной замедления движения в правильном направлении, учитывая что оба способа охлаждения, уже были открыты. Но к сожалению, никто долго не догадывался развивать их и применять для ожижения газов.
Первый способ охлаждения, был известен достаточно давно. Опытно было показано, что при сжатии газов, растёт их температура. Тем более, заметен рост температуры, чем быстрее и сильнее газ сжимается.
Позднее был замечен и противоположный эффект, при расширении газа, падает его температура.
Самым наблюдательным оказался дед Чарльза Дарвина, Эразм.
Он в своей работе, качественно описал явление охлаждения газа при его истечении через небольшое отверстие. Это отверстие создавало, значительное гидравлическое сопротивление потоку. Позднее Пикте не просто подтвердил работы Дарвина, но и указал, на то, что охлаждение носит весьма сильный характер. Но теоретическое объяснение этого явления, будет получено только в середине 19 века. Этому способствовало применение первого начала термодинамики к этому процессу.
Из него следует, что совершение работы, самим газом, или над газом, в процессе без теплообмена со средой, приводит к полному переходу работы во внутреннюю энергию, с учётом знака этой работы. Так при совершении работы над газом, его температура растёт, а совершение работы самим газом, приводит к падению температуры.
А к тому времени (1850-ые), температура уже была ненадежно, но все же связана со внутренней энергией. Многие учёные того времени, предлагали различные способы как качественной так и количественной связи температуры и тепла.
В последствии работы Жозефа Гей-Люссака и Пуассона, показали насколько глубоко происходит охлаждение при расширении газов.
Итак, первый способ был готов к использованию, но наличие самой идеи, как говорил Томас Эдисон, только 2%, а реализация, оставшиеся 98!
И вот именно с реализацией появились первые серьёзные проблемы. Устройства для расширения газов, со снятием внешней работы (детандеры) будут разработаны только через полвека.
Дальше снова ключевую роль сыграли работы Рудольфа Клаузиуса. Первый способ охлаждения, требовал совершения газом работы, согласно выводам Клаузиуса, но при анализе первого начала термодинамики, возможно снижение внутренней энергии, без совершения работы. Для этого необходимо было проанализировать само понятие внутренней энергии.
И тут настало время Джеймса Прескотта Джоуля! Он провёл эксперименты совместно с Вильямом Томсоном. В 1852 году они начали изучать то явление, которое видел Тилорье, при спуске жидкой углекислоты из сосуда. Тилорье спуская жидкость из сосуда, дросселировал её при помощи вентиля.
Джоуль и Томсон поставили опыт с продавливанием через пористую перегородку газы, наблюдая за изменением температуры. Тогда все газы снижали свою температуру при дросселировании.
Впоследствии этот эффект был назван эффектом "Джоуля - Томсона". Но в процессе опытов, они увидели, что есть газ который не просто не охлаждается, а наоборот нагревается, это был водород. Но почему так происходит, понятно ещё не было. Сам Джоуль недоумевал, он считал что внутренняя энергия, не связана с давлением, а только с температурой. Интересно заметить, что за весомые работы и открытия именами этих учёных назвали, и это неудивительно, работа - Джоуль, а шкала температур - Кельвин.
Сам же эффект Джоуля - Томсона, объясняется особенностью перераспределения внутренней энергии газа. В реальном газе, существуют силы межмолекулярного взаимодействия. И полная энергия газа, его внутренняя энергия, есть сумма кинетической энергии движения частиц. И потенциальная энергия из взаимодействия. Это объясняет вид уравнения состояния реального газа Ван- Дер- Ваальса. Иными словами, падение давления при дросселировании, приводит к снижению кинетической энергии, той что отвечает за температуру, и рост потенциальной. А суммарная внутренняя энергия не изменяется.
Немаловажно заметить, что с таким перераспределением энергии, связаны два основных способа охлаждения, известные с древних времён.
Так испарение воды в древности, приводило к тому, что часть воды испарялась отбирая тепло фазового перехода и пар уносил его с собой, снижая температуру воды.
Тоже самое и применительно к охлаждающим смесям. Ещё Бойль заметил, что тем лучше смесь, чем лучше соль растворима в воде. Процесс поглощения тепла, этот процесс фазового перехода льда в раствор, а образование раствора, провоцирует его таяние. В итоге лёд тает перенося теплоту плавления от охлаждаемого тела к раствору.
Одной из загадок осталось поведение водорода при дросселировании. Почему же он нагревается, когда все охлаждаются?
Ответ был найден, только с развитием молекулярного учения. Значительно позже было выявлено, что существует некоторая температуры инверсии, при которой эффект Джоуля - Томсона, равен нулю. Если состояние газа до дросселирования, находится выше точки инверсии, то газ после дросселирования нагревается, а если ниже то охлаждается.
Именно потому что Джоуль и Томсон, в процессе постановки опыта, использовали не охлаждённый водород, т.е. выше точки инверсии, он дал положительный эффект. Позднее, когда перед дросселированием водород охладили, он так же как и другие газы охладился.
Особенно эффективно использовать дросселирование жидкостей, как показал опыт Тилорье с жидкой углекислотой.
В этом случае внутренняя работа против сил притяжения молекул в несколько порядков больше. И следовательно эффект от охлаждения значительно больше.
Результатом этого исторического этапа, стало изучение и развитие двух основных способов охлаждения. Они стали настолько изученными, что все преграды по интенсивному развитию техники низких температур были сняты.
Но как всегда есть одно но!
Сопоставление научных и теоретических знаний, а также практических опытов, займет ещё практически век, перед тем как холодильная техника предстанет перед нами в привычном для нас виде.
И об этом далее