Om Cryogenics
Denne artikel blev Offentliggjort* i: MacMillan Encyklopædi Af Kemi, New York, 2002, skrevet af: Dr. Ray Radebaugh af NIST
*Bidrag fra NIST, ikke er omfattet af ophavsret i U. S
Printable version: download PDF
Cryogenics er den videnskab, der behandler produktion og virkningerne af den meget lave temperaturer. Ordet stammer fra de græske ord ‘kryos’ betyder “frost ” og’ genic ‘ betyder “at producere.,”Under en sådan definition kunne det bruges til at inkludere alle temperaturer under frysepunktet for vand (0 C). Imidlertid brugte Prof. Kamerlingh Onnes fra University of Leiden i Holland først ordet i 1894 til at beskrive kunsten og videnskaben om at producere meget lavere temperaturer. Han brugte ordet med henvisning til fortætning af permanente gasser såsom ilt, nitrogen, hydrogen og helium. Ilt havde gjort flydende ved -183 C et par år tidligere (i 1887), og løbet var i gang med at blødgøre de resterende permanente gasser ved endnu lavere temperaturer., De teknikker, der anvendes til fremstilling af sådanne lave temperaturer var helt forskellige fra dem, der anvendes noget tidligere i produktionen af kunstig is. Især kræves effektive varmevekslere for at nå meget lave temperaturer. I løbet af de år udtrykket cryogenics har generelt været brugt til at henvise til temperaturer under ca -150 C.
i Henhold til love om termodynamik, der findes en grænse for den laveste temperatur, der kan opnås, hvilket er kendt som absolut nul. Molekyler er i deres laveste, men endelige energitilstand ved absolut nul., En sådan temperatur er umulig at nå, fordi den krævede indgangseffekt nærmer sig uendelig. Imidlertid er der opnået temperaturer inden for et par milliardedele af en grad over absolut nul. Absolut nul er nul for den absolutte eller termodynamiske temperaturskala. Det er lig med -273, 15 C eller -459, 67 F. Den metriske eller si (internationale System) absolutte skala er kendt som Kelvin-skalaen, hvis enhed er kelvin (ikke Kelvin), der har samme størrelse som graden Celsius., Symbolet for Kelvin-skalaen er K, som vedtaget af 13th General Council on Weightseights and Measures (CGPM) i 1968, og ikke K. således er 0 C lig med 273.15 K. Den engelske absolutte skala, kendt som Rankine-skalaen, bruger symbolet R og har en stigning det samme som Fahrenheit-skalaen. Med hensyn til Kelvin-skalaen anses den kryogene region ofte for at være under ca. 120 K (-153 C). De almindelige permanente gasser, der er nævnt tidligere, skifter fra gas til væske ved atmosfæretryk ved de temperaturer, der er vist i tabel 1, kaldet det normale kogepunkt (NBP)., Sådanne væsker er kendt som kryogene væsker eller kryogener. Når flydende helium afkøles yderligere til 2,17 K eller derunder, bliver det superfluid med meget usædvanlige egenskaber forbundet med at være i kvantemekanisk jordtilstand. For eksempel, det har nul viskositet og producerer en film, der kan krybe op over væggene i en åben beholder, som et bægerglas, og drypper fra bunden, så længe temperaturen i beholderen er under 2.17 K.
måling af kryogene temperaturer kræver metoder, som måske ikke er så fortrolig for offentligheden., Normale kviksølv-eller alkoholtermometre fryser ved så lave temperaturer og bliver ubrugelige. Den platinmodstandstermometer har en veldefineret adfærd af elektrisk modstand versus temperatur og er almindeligt anvendt til at måle temperaturer præcist, herunder kryogene temperaturer ned til omkring 20 K. Visse halvledende materialer, såsom germanium doteret, er også nyttig, da den elektriske modstand termometre til temperaturer ned til-1 K og nedenfor, så længe de er kalibreret over det sortiment, de er til for at blive brugt., Sådanne sekundære termometre kalibreres mod primære termometre, der anvender grundlæggende fysiske love, hvor en fysisk variabel ændres på en velkendt teoretisk måde med temperatur.
produktionen af kryogene temperaturer udnytter næsten altid kompression og udvidelse af gasser. I en typisk luft likvefaktionsproces komprimeres luften, hvilket får den til at varme og får lov til at afkøle tilbage til stuetemperatur, mens den stadig er under tryk. Trykluften afkøles yderligere i en varmeveksler, før den får lov til at ekspandere tilbage til atmosfærisk tryk., Udvidelsen får luften til at afkøle og en del af den til at flyde. Den resterende afkølede gasformige del returneres gennem den anden side af varmeveksleren, hvor den forkøler den indkommende højtryksluft, før den vender tilbage til kompressoren. Den flydende del destilleres normalt for at producere flydende ilt, flydende nitrogen og flydende argon. Andre gasser, såsom helium, anvendes i en lignende proces til at producere endnu lavere temperaturer, men flere ekspansionsstadier er nødvendige.
Cryogenics har mange applikationer., Kryogene væsker, såsom ilt, nitrogen og argon, bruges ofte i Industrielle og medicinske anvendelser. Den elektriske modstand af de fleste metaller falder som temperaturen falder. Visse metaller mister al elektrisk modstand under en vis overgangstemperatur og bliver superledere. En elektromagnet, der er viklet med en tråd af et sådant metal, kan producere ekstremt høje magnetfelter uden generering af varme og intet forbrug af elektrisk strøm, når feltet er etableret, og metallet forbliver koldt. Disse metaller, typisk niobiumlegeringer afkølet til 4.,2 K, anvendes til magneter af magnetisk resonans imaging (MRI) systemer i de fleste hospitaler. Superledning i visse metaller, der først blev opdaget i 1911 af Onnes, men siden 1986, er en anden klasse af materialer, der er kendt som høj-temperatur superledere, har vist sig at være superledende ved langt højere temperaturer, i øjeblikket op til omkring 145 K. De er en type af keramik, og på grund af deres skrøbelige natur, de er mere vanskeligt at fremstille i ledninger til magneter.,
andre anvendelser af kryogenik inkluderer hurtig frysning af nogle fødevarer og konservering af nogle biologiske materialer såsom husdyrsæd såvel som humant blod, væv og embryoner. Praksis med at fryse en hel menneskekrop efter døden i håb om senere at genoprette livet er kendt som kryonik, men det er ikke en accepteret videnskabelig anvendelse af kryogenik. Frysning af dele af kroppen for at ødelægge uønsket eller funktionssvigt væv er kendt som kryokirurgi. Det bruges til at behandle kræftformer og abnormiteter i huden, livmoderhalsen, livmoderen, prostata, og leveren.,
bibliografi
Scurlock, Ralph G., ed. (1993). Historie og Oprindelse af Kryogenik. Oxford, Clarendon Press.Shachtman, Tom (1999). Absolut nul og erobring af kulde. Boston, Houghton Mifflin Company.Barron, Randall (1985). Kryogene Systemer. O ,ford, O ,ford Press.Flynn, Thomas (1997). Kryogen Teknik. Ne.York, Marcel Dekker.isend, John G. II, ed. (1998). Håndbog for kryogen teknik. Philadelphia, Taylor og Francis.Seeber, Bernd, Red. (1998). Håndbog for Anvendt superledningsevne. Bristol, Institut for Fysik udgivelse.,Cryogenic Society of America, Cold Facts nyhedsbrev, tilgængelig fra www.cryogenicsociety.org.