O Kryogeniku
Tento článek byl Publikován* v: MacMillan Encyclopedia Of Chemistry, New York, 2002, napsal: Dr. Ray Radebaugh z NIST
*Příspěvek NIST, není předmětem autorského práva ve Spojených státech
verze pro Tisk: stáhnout PDF
Kryogenika je věda, která se zabývá výrobou a účinky velmi nízkých teplot. Slovo pochází z řeckých slov „kryos“, což znamená “ mráz „a “ genic“, což znamená “ produkovat.,“Podle takové definice by mohla být použita k zahrnutí všech teplot pod bodem mrazu vody (0 C). Nicméně, Prof. Kamerlingh Onnes z University of Leiden v Nizozemsku poprvé použil slovo v roce 1894 k popisu umění a vědy o produkci mnohem nižších teplot. Použil slovo v odkazu na zkapalnění trvalých plynů, jako je kyslík, dusík, vodík a helium. Kyslík byl zkapalněný na -183 C o několik let dříve (v roce 1887), a závod byl v průběhu zkapalnit zbývající permanentní plyny, na ještě nižší teploty., Techniky používané při výrobě tak nízkých teplot byly zcela odlišné od technik používaných poněkud dříve při výrobě umělého ledu. Zejména jsou vyžadovány účinné výměníky tepla k dosažení velmi nízkých teplot. V průběhu let se termín kryogenika obecně používá k označení teplot pod přibližně -150 C.
podle zákonů termodynamiky existuje limit nejnižší teploty, kterou lze dosáhnout, což je známé jako absolutní nula. Molekuly jsou v nejnižším, ale konečném energetickém stavu při absolutní nule., Takovou teplotu nelze dosáhnout, protože požadovaný vstupní výkon se blíží nekonečnu. Byly však dosaženy teploty do několika miliardtin stupně nad absolutní nulou. Absolutní nula je nula absolutní nebo termodynamické teplotní stupnice. To se rovná -273.15 C nebo -459.67 F metrický nebo SI (Mezinárodní Systém) absolutní měřítko je známý jako Kelvinova stupnice, jejíž jednotkou je kelvin (ne Kelvin), který má stejnou velikost jako stupeň Celsia., Symbol pro Kelvinova stupnice je K, přijatý 13. Generální Rada pro Váhy a míry (CGPM) v roce 1968, a ne K. Tudíž 0 C = 273.15 K. anglické absolutní měřítko, známý jako Rankin scale, používá se symbol R a má přírůstek stejné jako ve stupních Fahrenheita měřítku. Z hlediska Kelvinovy stupnice je kryogenní oblast často považována za oblast pod přibližně 120 K (-153 C). Běžné trvalé plyny odkazoval se na dřívější změnu z plynu na kapalinu při atmosférickém tlaku při teplotách uvedených v tabulce 1, volal normální bod varu (NBP)., Takové kapaliny jsou známé jako kryogenní kapaliny nebo kryogeny. Když se kapalné helium ochladí dále na 2,17 K nebo níže, stává se superfluidem s velmi neobvyklými vlastnostmi spojenými s tím, že je v kvantovém mechanickém stavu země. Například, to má nulovou viskozitu a vytváří film, který může plížit a po stěnách otevřené nádoby, jako jsou kádinky, a kapat na dno, tak dlouho, dokud teplota zásobníku zůstává pod 2.17 K.
měření kryogenní teploty vyžaduje metody, které nemusí být tak známé široké veřejnosti., Normální rtuťové nebo alkoholové teploměry zamrznou při tak nízkých teplotách a stanou se zbytečnými. Platinový odporový teploměr má dobře definované chování elektrického odporu na teplotě a je běžně používán pro měření teploty přesně, včetně kryogenní teploty až o 20 K. Některých polovodivých materiálů, jako je dopované germanium, jsou také užitečné jako elektrický odpor teploměry pro teploty až do 1 K a níže, jak dlouho jak oni jsou kalibrovány v rozsahu mají být použity., Takové sekundární teploměry jsou kalibrovány proti primárním teploměrům, které využívají základní fyzikální zákony, ve kterých se fyzická proměnná mění známým teoretickým způsobem s teplotou.
výroba kryogenních teplot téměř vždy využívá kompresi a expanzi plynů. Při typickém procesu zkapalňování vzduchu je vzduch stlačen, což způsobuje jeho ohřev a nechá se ochladit zpět na pokojovou teplotu, zatímco je stále pod tlakem. Stlačený vzduch se dále ochladí ve výměníku tepla, než se nechá expandovat zpět na atmosférický tlak., Expanze způsobuje chlazení vzduchu a jeho část zkapalňuje. Zbývající chlazená plynná část je vrácena přes druhou stranu výměníku tepla, kde před návratem do kompresoru předchladí přiváděný vysokotlaký vzduch. Kapalná část se obvykle destiluje za vzniku kapalného kyslíku, kapalného dusíku a kapalného argonu. Jiné plyny, jako je helium, se používají v podobném procesu k výrobě ještě nižších teplot, ale je nutné několik fází expanze.
Kryogenika má mnoho aplikací., Kryogenní kapaliny, jako je kyslík, dusík a argon, se často používají v průmyslových a lékařských aplikacích. Elektrický odpor většiny kovů klesá s poklesem teploty. Některé kovy ztrácejí veškerý elektrický odpor pod určitou přechodovou teplotou a stávají se supravodiči. Elektromagnetická rána s drátem takového kovu může produkovat extrémně vysoká magnetická pole bez generování tepla a bez spotřeby elektrické energie, jakmile je pole vytvořeno a kov zůstává chladný. Tyto kovy, typicky niobové slitiny chlazené na 4.,2 K, se používají pro magnety magnetických rezonančních zobrazovacích systémů (MRI) ve většině nemocnic. Supravodivost v některých kovů byla poprvé objevena v roce 1911 Onnes, ale od roku 1986 další třídy materiálů, známý jako vysokoteplotní supravodiče, bylo zjištěno, že supravodivý při mnohem vyšších teplotách, v současné době až o 145 K. jsou typu ceramic, a protože jejich křehké přírody, oni jsou více obtížné vyrobit do drátů pro magnety.,
Další aplikace kryogenní patří rychlé zmrazení některých potravin a zachování některých biologických materiálů, jako je živočišná sperma, stejně jako lidské krve, tkání a embryí. Praxe zmrazení celého lidského těla po smrti, v naději, že později obnovení života je známý jako cryonics, ale to není uznávaných vědeckých aplikace kryogenika. Zmrazení částí těla k zničení nežádoucí nebo nefunkční tkáně je známé jako kryochirurgie. Používá se k léčbě rakoviny a abnormalit kůže, děložního čípku, dělohy, prostaty a jater.,
bibliografie
Scurlock, Ralph G., ed. (1993). Historie a původ Kryogeniky. Oxford, Clarendon Press.
Shachtman, Tom (1999). Absolutní nula a dobytí chladu. Boston, Houghton Mifflin Company.
Barron, Randall (1985). Kryogenní Systémy. Oxford, Oxford Press.
Flynn, Thomas (1997). Kryogenní Inženýrství. New York, Marcel Dekker.
Weisend, John G. II, ed. (1998). Příručka kryogenního inženýrství. Philadelphia, Taylor a Francis.
Seeber, Bernd, ed. (1998). Příručka aplikované supravodivosti. Bristol, Ústav fyziky Publishing.,
Cryogenic Society of America, Cold Facts Newsletter, dostupný od www.cryogenicsociety.org.