About Cryogenics
Dieser Artikel wurde veröffentlicht* in: The MacMillan Encyclopedia Of Chemistry, New York, 2002, geschrieben von: Dr. Ray Radebaugh von NIST
* Beitrag von NIST, nicht urheberrechtlich geschützt in den USA
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Cryogenics ist die Wissenschaft, die sich mit der Produktion und den Auswirkungen sehr niedriger Temperaturen befasst. Das Wort stammt aus den griechischen Wörtern ‚ kryos ‚bedeutet „Frost“ und‘ genic ‚ bedeutet „zu produzieren.,“Unter einer solchen Definition könnte es verwendet werden, um alle Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser (0 C) einzuschließen. Prof. Kamerlingh Onnes von der Universität Leiden in den Niederlanden verwendete das Wort jedoch erstmals 1894, um die Kunst und Wissenschaft der Herstellung viel niedrigerer Temperaturen zu beschreiben. Er verwendete das Wort in Bezug auf die Verflüssigung von permanenten Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Helium. Sauerstoff war einige Jahre zuvor (1887) bei -183 ° C verflüssigt worden, und ein Rennen war im Gange, um die verbleibenden Dauergase bei noch niedrigeren Temperaturen zu verflüssigen., Die bei der Herstellung derart niedriger Temperaturen angewandten Techniken unterschieden sich erheblich von denen, die etwas früher bei der Herstellung von Kunsteis verwendet wurden. Insbesondere sind effiziente Wärmetauscher erforderlich, um sehr niedrige Temperaturen zu erreichen. Im Laufe der Jahre wurde der Begriff Kryogenik allgemein verwendet, um Temperaturen unter etwa -150 C zu bezeichnen.
Nach den Gesetzen der Thermodynamik gibt es eine Grenze für die niedrigste Temperatur, die erreicht werden kann, die als absoluter Nullpunkt bekannt ist. Moleküle befinden sich in ihrem niedrigsten, aber endlichen Energiezustand bei absolutem Nullpunkt., Eine solche Temperatur ist nicht zu erreichen, da sich die erforderliche Eingangsleistung der Unendlichkeit nähert. Es wurden jedoch Temperaturen innerhalb weniger Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Absoluter Nullpunkt ist der Nullpunkt der absoluten oder thermodynamischen Temperaturskala. Es ist gleich -273,15 C oder -459,67 F. Die metrische oder SI (International System) absolute skala ist bekannt als die Kelvin skala, deren einheit ist die kelvin (nicht Kelvin), die hat die gleiche größe wie die grad Celsius., Das Symbol für die Kelvin-Skala ist K, wie es 1968 vom 13th General Council on Weights and Measures (CGPM) angenommen wurde, und nicht K. Daher entspricht 0 C 273.15 K. Die englische absolute Skala, bekannt als Rankine-Skala, verwendet das Symbol R und hat ein Inkrement, das dem der Fahrenheit-Skala entspricht. In Bezug auf die Kelvinskala wird der kryogene Bereich oft als der unter ungefähr 120 K (-153 C) angesehen. Die üblichen Permanentgase, auf die früher Bezug genommen wurde, wechseln bei Atmosphärendruck bei den in Tabelle 1 angegebenen Temperaturen, dem sogenannten normalen Siedepunkt (NBP), von Gas zu Flüssigkeit., Solche Flüssigkeiten sind als kryogene Flüssigkeiten oder Kryogene bekannt. Wenn flüssiges Helium weiter auf 2,17 K oder darunter abgekühlt wird, wird es zu einem Überfluid mit sehr ungewöhnlichen Eigenschaften, die mit dem quantenmechanischen Grundzustand verbunden sind. Zum Beispiel hat es eine Viskosität von Null und erzeugt einen Film, der auf und über die Wände eines offenen Behälters kriechen kann, z. B. eines Bechers, und vom Boden tropfen kann, solange die Temperatur des Behälters unter 2.17 K bleibt.
Die Messung der kryogenen Temperaturen erfordert Methoden, die der Öffentlichkeit möglicherweise nicht so vertraut sind., Normale Quecksilber – oder Alkoholthermometer gefrieren bei so niedrigen Temperaturen und werden unbrauchbar. Das Platinwiderstandsthermometer hat ein genau definiertes Verhalten des elektrischen Widerstands gegenüber der Temperatur und wird üblicherweise verwendet, um Temperaturen genau zu messen, einschließlich kryogener Temperaturen bis etwa 20 K. Bestimmte halbleitende Materialien, wie dotiertes Germanium, sind auch als elektrische Widerstandsthermometer für Temperaturen bis zu 1 K und darunter nützlich, solange sie über den zu verwendenden Bereich kalibriert sind., Solche Sekundärthermometer sind gegen Primärthermometer kalibriert, die grundlegende Gesetze der Physik verwenden, bei denen sich eine physikalische Variable auf bekannte theoretische Weise mit der Temperatur ändert.
Die Herstellung von kryogenen Temperaturen nutzt fast immer die Kompression und Expansion von Gasen. Bei einem typischen Luftverflüssigungsprozess wird die Luft komprimiert, wodurch sie sich erwärmt und unter Druck wieder auf Raumtemperatur abkühlen kann. Die Druckluft wird in einem Wärmetauscher weiter gekühlt, bevor sie sich wieder auf Atmosphärendruck ausdehnen kann., Die Ausdehnung bewirkt, dass die Luft abkühlt und ein Teil davon verflüssigt. Der verbleibende gekühlte gasförmige Teil wird durch die andere Seite des Wärmetauschers zurückgeführt, wo er der einströmenden Hochdruckluft vorausgeht, bevor er zum Kompressor zurückkehrt. Der flüssige Teil wird normalerweise destilliert, um flüssigen Sauerstoff, flüssigen Stickstoff und flüssiges Argon zu erzeugen. Andere Gase, wie Helium, werden in einem ähnlichen Verfahren verwendet, um noch niedrigere Temperaturen zu erzeugen, aber mehrere Expansionsstufen sind notwendig.
Cryogenics hat viele Anwendungen., Kryogene Flüssigkeiten wie Sauerstoff, Stickstoff und Argon werden häufig in industriellen und medizinischen Anwendungen verwendet. Der elektrische Widerstand der meisten Metalle nimmt mit abnehmender Temperatur ab. Bestimmte Metalle verlieren den gesamten elektrischen Widerstand unter einer Übergangstemperatur und werden zu Supraleitern. Ein mit einem Draht eines solchen Metalls gewickelter Elektromagnet kann extrem hohe Magnetfelder ohne Wärmeerzeugung und ohne Stromverbrauch erzeugen, sobald das Feld aufgebaut ist und das Metall kalt bleibt. Diese Metalle, typischerweise Nioblegierungen auf 4 abgekühlt.,2 K, werden für die Untersuchung von Magnetresonanztomographie (MRT) – Systemen in den meisten Krankenhäusern verwendet. Supraleitung in einigen Metallen wurde erstmals 1911 von Onnes entdeckt, aber seit 1986 wurde festgestellt, dass eine andere Klasse von Materialien, die als Hochtemperatursupraleiter bekannt sind, bei viel höheren Temperaturen supraleitend ist, derzeit bis zu etwa 145 K. Sie sind eine Art Keramik und aufgrund ihrer spröden Natur schwieriger in Drähte für Magnete herzustellen.,
Andere Anwendungen der Kryogenik umfassen das schnelle Einfrieren einiger Lebensmittel und die Konservierung einiger biologischer Materialien wie Tiersamen sowie menschliches Blut, Gewebe und Embryonen. Die Praxis, einen ganzen menschlichen Körper nach dem Tod einzufrieren, in der Hoffnung, später das Leben wiederherzustellen, ist als Kryonik bekannt, aber es ist keine akzeptierte wissenschaftliche Anwendung der Kryogenik. Das Einfrieren von Körperteilen, um unerwünschtes oder fehlerhaftes Gewebe zu zerstören, wird als Kryochirurgie bezeichnet. Es wird verwendet, um Krebs und Anomalien der Haut, Gebärmutterhals, Gebärmutter, Prostata und Leber zu behandeln.,
Bibliographie
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der Cryogenic Society of America, Kalte Tatsachen, die Newsletter aus www.cryogenicsociety.org.