Các nhà khoa học làm thế nào để có thể biến thể khí thành thể lỏng?

Thông thường, dưới 00C 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 có thể chia ra thành 3 khu vực như sau: Nhiệt độ phổ thông (273 - 120K trở xuống); nhiệt độ thấp (120 - 0,3K); nhiệt độ cực thấp (siêu thấp) (0,3K trở xuống). Trong các công trình kỹ thuật làm lạnh phổ thông được gọi là kĩ thuật chế lạnh, còn kĩ thuật để đạt đến nhiệt độ thấp và nhiệt độ siêu thấp được gọi được gọi là kỹ thuật nhiệt độ thấp.

Tập trung vào hướng thứ nhất của nhiệt độ thấp chính là nhà vật lí học, nhà hóa học Faraday (1791 - 1867). Ông đã lợi dụng chất lỏng đã được hóa lỏng để đạt được nhiệt độ thấp. Vật chất phổ thông thường có 3 trạng thái: Trạng thái khí, trạng thái lỏng và trạng thái rắn. Vật lí gọi đó là tam tương. Sự thay đổi của trạng thái vật chất được gọi là sự chuyển biến của các tương, gọi tắt là tương biến. Khi nhiệt độ giảm dần xuống, thể khí từ trạng thái khí chuyển sang trạng thái lỏng, tiếp theo lại biến thành trạng thái rắn. Ví dụ, khi thể khí gặp lạnh biến thành sương rồi hóa lỏng thành nước, còn nước khi ở nhiệt độ thấp lại đóng băng thành đá. Cũng như vậy khí clo, ôxy hay carbonic đều có thể được hóa lỏng. Khí hoá lỏng điều chế được ở nhiệt độ thấp chính là nhờ nguyên lí chế độ lạnh tương biến trong vật lí học cơ bản. Khi cho clo ở dạng tinh thể vào nước đặt ở một đầu ống và dùng lửa đun nóng, hợp chất nước với clo bị phân giải, giải phóng ra khí clo và tạo ra áp suất cao. Một đầu ống được nhúng vào trong chất làm lạnh, khí clo ở p suất cao gặp nhiệt độ thấp sẽ ngưng kết tạochất lỏng. Lựa chọn cách làm tương tự với khí carbonic, nó sẽ hóa lạnh ở nhiệt độ âm 780C. Faraday và các nhà khoa học khác hy vọng có thể hóa lỏng được tất cả các loại khí, nhưng do tri thức thời kì đó còn hạn chế, họ phát hiện ra rằng các thể khí như khí hyđro, oxy, nitơ, oxitcacbon và khí metan là những loại khí không thể bị hóa lỏng.. Các nhà khoa học rất thất vọng và họ gọi đó là những "thể khí vĩnh cửu".

Sau khi Kelvin và Joule làm thí nghiệm đã phát hiện ra rằng: Cho khí sau khi đã nở đi qua một vật có nhiều lỗ, nhiệt độ sẽ thay đổi theo khi áp suất giảm dần. Ở nhiệt độ bình thường, áp suất bình thường, các thể khí như không khí, oxy, nitơ, cacbonic v.v... sau khi cắt nguồn nhiệt làm nó nở ra, nhiệt độ sẽ giảm xuống, nhiệt độ của khí hydro lại tăng lên. Nghiên cứu sâu hơn nữa sẽ phát hiện ra rằng, mỗi loại khí đều tồn tại ở một nhiệt độ chuyển hóa. Cao hơn nhiệt độ chuyển hóa thì nó nở ra, nhiệt độ tăng lên, thấp hơn nhiệt độ chuyển hóa thì nó giảm xuống. Nhiệt độ chuyển hóa trung bình của ôxy, không khí, carbonic cao hơn nhiệt độ trong phòng, vì vậy khi ở nhiệt độ thường, dưới một áp suất bình thường, sau khi nở ra nhiệt độ của các thể khí này sẽ xuống thấp.

Do vậy, có thể đưa ra kết luận sau: Nếu để thể khí sau khi nở ra đi qua các đường ống có cách biệt với môi trường bên ngoài, hiệu quả thu được sẽ là nhiệt độ giảm xuống khiến nhiệt độ ban đầu tiếp tục giảm xuống ở mức chuyển hóa thấp hơn. Phương pháp hạ thấp nhiệt độ này trong vật lí học được gọi là hiệu ứng Joule. Đây cũng là phương pháp cơ bản nhất để hạ nhiệt độ xuống thấp. Cũng theo nguyên lí này, cho thể khí đi qua lỗ nhỏ, do áp suất thay đổi từ cao xuống thấp, nó nở ra trong điều kiện cách nhiệt với môi trường bên ngoài, từ đó nó có thể sinh ra hiệu ứng. Đồng thời, một nhà khoa học người Anh đã nghiên cứu và phát hiện ra rằng: Thể tích, áp suất và nhiệt độ của thể khí có liên quan với nhau. Thể khí chỉ hóa lỏng khi ở một nhiệt độ nhất định. Ông cũng đưa ra khái niệm về ranh giới nhiệt độ. Điều này càng thể hiện rõ hơn nguyên lí hóa lỏng của thể khí. Ông cũng đã chứng minh quan điểm "thể khí vĩnh cửu" là sai, và điều quan trọng là ông đã tìm ra ranh giới nhiệt độ để chúng hóa lỏng.

Sau này các nhà khoa học cũng đã bắt tay vào nghiên cứu "thể khí vĩnh cửu". Năm 1877, nhà khoa học người Thụy Sỹ Raoul P. Pictet lần đầu tiên đã hoá lỏng được ôxy. Cùng trong năm đó, một nhà khoa học người Pháp là Louis P. Cailletet cùng dùng nguyên lí giãn nở cách nhiệt để hóa lỏng thành công ôxy. Ông đưa ôxy vào trong ống thủy tinh bịt kín bằng thủy ngân, sau đó lại dùng nước bịt kín lại, đồng thời dùng máy ép thủy lực để gia tăng áp lực. Khi đạt đến điều kiện áp suất không khí âm 290C và 300 atmotphe, đột ngột xả áp lực của máy nén thủy lực, ôxy ở trong ống nở ra trong môi trường cách nhiệt, do nhiệt độ giảm xuống đột ngột, ôxy đã bị hóa lỏng. Phương pháp này về cơ bản cũng giống như các phương pháp khác, đây cũng là phương pháp cơ bản nhất dùng để chinh phục "thể khí vĩnh cửu".

Các nhà khoa học Ba Lan cũng đã hóa lỏng thành công không khí, ôxy và nitơ. Năm 1898 , nhà khoa học James Dewar, người Anh đã lần đầu tiên hóa lỏng thành công hyđro, cùng đó là kĩ thuật ứng dụng chân không để phát minh ra phích Dewar dùng để chứa chất lỏng ở nhiệt độ thấp. Năm 1908, nhà khoa học Heike Kamerlingh Onnes thuộc trường Đại học Leiden, Hà Lan đã hóa lỏng thành công khí Heli khi ở nhiệt độ 4,2K. Vậy là "thể khí vĩnh cửu" đã được chinh phục hết.