Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

За критическими давлением и температурой больше нет фазового перехода, отделяющего жидкость от газа. В этой области получается нечто совершенно новое – сверхкритический флюид. Флюид – это обобщающий термин, обозначающий некую текучую среду. В отличие от газа сверхкритический флюид невозможно сконденсировать в жидкость путем уменьшения его температуры. В отличие от жидкости его нельзя испарить, то есть превратить в газ путем уменьшения давления. Эти результаты впервые получил ученый и изобретатель Шарль Каньяр де ла Тур (1777–1859). Когда Каньяр перекатывал кремневый шарик внутри запечатанного пушечного ствола, наполовину наполненного жидкостью, он слышал всплеск каждый раз, когда шарик попадал в жидкость. Но по достижении некоторого давления этот звук внезапно прекратился. Граница между жидкостью и газом исчезла: все содержимое ствола превратилось в сверхкритический флюид.

Скала встречается с морем

Хотя сверхкритические флюиды не слишком знакомы нам по опыту повседневной жизни, они не так уж редки. Сжатый воздух для надувания (нелетающих) воздушных шаров хранится в баллонах в виде сверхкритического флюида. Атмосфера газовых гигантов – планет, подобных Юпитеру, – состоит из сверхкритических флюидов. А глубоководные океанские источники, известные под названием «черных курильщиков», выбрасывают сверхкритическую воду, тепло и минеральный состав которой поддерживают существование целых экосистем существ, не встречающихся на поверхности: эти глубоководные организмы – единственные на Земле живые существа, получающие энергию из источников, никак не связанных с Солнцем.

С точки зрения волшебников, важно, что сверхкритические флюиды также применяются на практике. Они обычно бывают лучшими растворителями, чем жидкости или газы, и лучше, чем жидкости, проникают в пористые твердые вещества. Сверхкритический диоксид углерода используют в химической чистке, так как он хорошо растворяет грязь. В технологиях декофеинизации чая и кофе сверхкритические флюиды растворяют кофеин, не изменяя вкуса и аромата этих продуктов. Сверхкритическую воду можно использовать для переработки органических отходов в водородные топливные ячейки и другие источники энергии, а также для улавливания углерода. Таким образом, они очень полезны, но само их существование порождает интригующие вопросы о природе материи.

Вернемся на секунду к скале: вы можете начать свой путь с ее вершины, пройти по склону к воде, а затем проплыть к точке, расположенной под тем местом, с которого вы ушли в самом начале, не прыгая со скалы в воду. Точно так же, начав с жидкости, можно найти такую последовательность изменений температуры и давления, которая приведет к газообразному состоянию без фазового перехода. Так можно ли вообще считать жидкость и газ разными состояниями вещества?

Как и в случае вопроса о том, сколько песчинок образуют кучу, искомый ответ, вероятно, зависит от определения и в еще большей степени от причин, по которым вы задаете этот вопрос. При атмосферном давлении вода и пар, несомненно, обладают разными свойствами, и в повседневной жизни полезно считать их разными состояниями. Оказывается, существует способ точно сформулировать это видимое различие между жидкостью и газом.

Шерсть и вода[22]

Самые ранние из сохранившихся прозаических текстов Великобритании содержатся в «Мабиногионе» – созданных в XII веке записях более древних устных преданий на средневаллийском языке. В число этих историй входят ранние версии легенд о короле Артуре; эта книга оказала большое влияние на Дж. Р. Р. Толкина. В легенде о Передуре, сыне Эвраука, есть рассказ о волшебных странствиях Передура:

Передур же поехал дальше долиной реки, вдоль которой расстилались луга. И на одном берегу реки он увидел стадо белых овец, а на другом – стадо черных. И как только одна из белых овец блеяла, черная овца переплывала реку и становилась белой. Когда же блеяла черная овца, одна из белых овец переплывала реку и делалась черной[23].