Що таке кріогеніка

Кріогеніка - це наука, яка вивчає створення і вплив дуже низьких температур. Саме слово походить від грецького слова «криос», що означає «мороз», і «генна» - означає «робити». При такому визначенні термін може бути використаний для позначення всіх температур нижче точки замерзання води (0 ° C). Проте, в 1894 році професор Камерлинг-Оннес, Лейденський університет, Нідерланди, вперше використав це слово для опису мистецтва і науки створення набагато більш низьких температур. Він використовував слово «кріогенний» щодо знижених постійних газів, таких як кисень, азот, водень, і гелій. Кількома роками раніше (в 1887 році) кисень був приведений в рідкий стан при -183 ° С, а гонка зі зрідження залишилися постійних газів при ще більш низьких температурах тривала. Методи, які використовувалися у виробництві таких низьких температур, досить сильно відрізнялися від тих, які дещо раніше використовувалися при виробництві штучного льоду. Зокрема, для досягнення дуже низьких температур потрібні ефективні теплообмінники. Протягом багатьох років термін «кріогенний» найчастіше використовується для позначення температур нижче близько -150 ° С.

Відповідно до законів термодинаміки, існує обмеження по самій низькій температурі, яка може бути досягнута, відома як абсолютний нуль. При абсолютному нулі молекули перебувають на найнижчому рівні, але в кінцевому енергетичному стані. Досягнення абсолютного нуля температури неможливо, оскільки кількість необхідної споживаної потужності прагне до нескінченності. Проте, були досягнуті температури менше однієї десятої мільярда градуса вище абсолютного нуля. Абсолютний нуль є нулем абсолютної або термодинамічної температурної шкали. Він дорівнює -273,15 ° С або -459,67 F. Абсолютна шкала метрична або SI (Міжнародна система) відома як шкала Кельвіна, одиниця виміру якого - кельвін (НЕ Кельвін) позначається К, який має ту ж величину, що і градус Цельсія. Таким чином, 0 ° С дорівнює 273,15 К. англійська абсолютна шкала, відома як шкала Ранкіна, (позначення -R), має ту ж ціну поділки, що і шкала Фаренгейта. За шкалою Кельвіна кріогенної зоною часто вважається та, температура якої дорівнює нижче близько 120К (-153 ° С). Поширені постійні гази, згадані раніше, переходять при атмосферному тиску з газоподібного в рідкий стан при температурах, зазначених в таблиці 1, званих точкою кипіння при нормальних умовах. Такі рідини відомі під назвою кріогенних.

Криогенний (K) (° C) (° R) (° F)

Метан 111.7 -161.5 201.1 -258.6

Кисень 90.2 -183.0 162.4 -297.3

Азот 77.4 -195.8 139.3 -320.4

Водень 20.3 -252.9 36.5 -423.2

Гелій 4.2 -269.0 7.6 -452.1

нуль 0 -273.15 0 -459.67

При подальшому охолодженні гелію до 2,17 К або нижче, він перетворюється в надплинну рідина з дуже незвичайними властивостями, пов'язаними з перебуванням в

квантово-механічному стані. Наприклад, гелій має нульову в'язкість і утворює тонкий шар, який може повзти вгору і через стінки у відкритій ємності, такий як хімічний стакан, і не стікати на дно до тих пір, поки температура в контейнері залишається нижче 2,17 К.

Вимірювання кріогенних температур вимагає методів, не особливо знайомих широкій публіці. Звичайні термометри з ртуттю або спиртом замерзають при таких низьких температурах і стають марними. Платиновий термометр опору має чітко виражені функціональні можливості електричного опору в залежності від температури, і зазвичай використовується для точного вимірювання температури, в тому числі кріогенних температур до близько 20 К. Певні напівпровідникові матеріали, такі як каклегірованноий германій, також можуть бути використані в якості електричних термометрів опору для вимірювання температури до 1 до і нижче, за умови їх калібрування в діапазоні застосування. Такі вторинні термометри калібрують за первинним термометрам, які використовують основні закони фізики, в яких фізична змінна змінюється відомим теоретичним чином з температурою.

При створенні кріогенних температур майже завжди використовуються процеси стиснення і розширення газів. У типовому процесі скраплення повітря повітря стискається, в результаті чого він нагрівається, йому дозволяють охолонути до кімнатної температури, все ще перебуваючи під тиском. Стиснене повітря далі охолоджується в теплообміннику, перш ніж йому дозволять назад розширитися до атмосферного тиску. Процес розширення охолоджує повітря, а його частина переходить в рідкий стан. Решта охолоджена газоподібна частина повертається через іншу сторону теплообмінника, де вона попередньо охолоджує повітря, що знаходиться під високим тиском, який туди надходить перед поверненням в компресор. Рідка частина, як правило, піддається перегонці для виробництва рідкого кисню, рідкого азоту і рідкого аргону. Інші гази, такі як гелій, використовуються в схожому процесі, для створення ще більш низьких температур, однак необхідними є кілька стадій розширення.

Кріогеніка має безліч застосувань. Кріогенні рідини, такі як кисень, азот, аргон, часто застосовується в промислових і медичних цілях. Електричний опір більшості металів зменшується при зниженні температури. Певні метали втрачають електричний опір нижче деякої температури переходу, і стають сверхпроводниками. Електромагнітні витки з дротом з такого металу можуть виробляти дуже високі магнітні поля без виділення тепла і без споживання електроенергії, як тільки встановлюється поле і метал залишається холодним. Ці метали - як правило, сплави ніобію, охолоджені до 4,2 К, використовуються для магнітів систем магнітно-резонансної томографії (МРТ) в більшості лікарняних закладах.

Надпровідність деяких металів була вперше виявлена ​​в 1911 році Оннесом, однак починаючи з 1986 р виявили інший клас матеріалів, відомих як високотемпературних надпровідників при значно більш високих температурах - в даний час приблизно до 145 К. Вони являють собою тип кераміки, і з- за своїх тендітних властивостей вони більш складні у виготовленні проводів для магнітів.

Інший спосіб застосування полягає в швидкому заморожуванні певних харчових продуктів і збереженні деяких біологічних матеріалів, таких як насіннєва рідина поголів'я худоби, а також крові людини, тканин та ембріонів. Практика заморожування тіла людини після його смерті в надії його подальшого пожвавлення називається кріоніки, однак вона не є прийнятим науковим застосуванням кріогеніки. Заморожування частин тіла для видалення небажаних тканин називається кріохірургії. Використовується для лікування раку і патологій шкіри, шийки матки, матки, передміхурової залози і печінки.