acerca de Cryogenics
Este artículo fue publicado* en: The MacMillan Encyclopedia Of Chemistry, Nueva York, 2002, escrito por: Dr. Ray Radebaugh del NIST
*contribución del NIST, no sujeta a derechos de autor en los EE.bajas temperaturas. La palabra se origina de las palabras griegas ‘kryos’ que significa » helada «y’ genic ‘que significa» producir.,»Bajo tal definición se podría utilizar para incluir todas las temperaturas por debajo del punto de congelación del agua (0 C). Sin embargo, el profesor Kamerlingh Onnes de la Universidad de Leiden en los Países Bajos utilizó por primera vez la palabra en 1894 para describir el arte y la ciencia de producir temperaturas mucho más bajas. Usó la palabra en referencia a la licuefacción de gases permanentes como oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y helio. El oxígeno había sido licuado a -183 C unos años antes (en 1887), y una carrera estaba en curso para licuar los gases permanentes restantes a temperaturas aún más bajas., Las técnicas empleadas en la producción de tales bajas temperaturas eran bastante diferentes de las utilizadas un poco antes en la producción de hielo artificial. En particular, se requieren intercambiadores de calor eficientes para alcanzar temperaturas muy bajas. A lo largo de los años, el término criogénica generalmente se ha utilizado para referirse a temperaturas por debajo de aproximadamente -150 C.
de acuerdo con las leyes de la termodinámica, existe un límite a la temperatura más baja que se puede alcanzar, que se conoce como cero absoluto. Las moléculas están en su estado energético más bajo, pero finito, en el cero absoluto., Tal temperatura es imposible de alcanzar porque la potencia de entrada requerida se acerca al infinito. Sin embargo, se han logrado temperaturas dentro de unas pocas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. El cero absoluto es el cero de la escala de temperatura absoluta o termodinámica. Es igual a -273.15 C o -459.67 F. La escala absoluta métrica o SI (Sistema Internacional) se conoce como la escala Kelvin cuya unidad es el kelvin (No Kelvin) que tiene la misma magnitud que el grado Celsius., El símbolo para la escala Kelvin es K, tal como fue adoptado por el 13.o Consejo General de pesos y medidas (CGPM) en 1968, y no K. Por lo tanto, 0 C es igual a 273.15 K. La escala absoluta inglesa, conocida como la escala de Rankine, utiliza el símbolo R y tiene un incremento igual al de la escala de Fahrenheit. En términos de la escala Kelvin, la región criogénica a menudo se considera por debajo de aproximadamente 120 K (-153 C). Los gases permanentes comunes se referían al cambio anterior de gas a líquido a presión atmosférica a las temperaturas mostradas en la tabla 1, llamado punto de ebullición normal (NBP)., Tales líquidos se conocen como líquidos criogénicos o criógenos. Cuando el helio líquido se enfría más a 2,17 K o menos, se convierte en un superfluido con propiedades muy inusuales asociadas con estar en el estado fundamental de la mecánica cuántica. Por ejemplo, tiene viscosidad cero y produce una película que puede deslizarse hacia arriba y sobre las paredes de un recipiente abierto, como un vaso de precipitados, y gotear por el fondo siempre que la temperatura del recipiente permanezca por debajo de 2.17 K.
la medición de temperaturas criogénicas requiere métodos que pueden no ser tan familiares para el público en general., Los termómetros normales de mercurio o alcohol se congelan a temperaturas tan bajas y se vuelven inútiles. El termómetro de resistencia de platino tiene un comportamiento bien definido de resistencia eléctrica versus temperatura y se usa comúnmente para medir temperaturas con precisión, incluidas temperaturas criogénicas de hasta aproximadamente 20 K. ciertos materiales semiconductores, como el germanio dopado, también son útiles como termómetros de resistencia eléctrica para temperaturas de hasta 1 K y menos, siempre y cuando estén calibrados en el rango que se van a usar., Estos termómetros secundarios están calibrados contra termómetros primarios que utilizan leyes fundamentales de la física en las que una variable física cambia de una manera teórica bien conocida con la temperatura.
La producción de temperaturas criogénicas casi siempre utiliza la compresión y expansión de gases. En un proceso típico de licuefacción de aire, el aire se comprime, lo que hace que se caliente, y se deja enfriar a temperatura ambiente mientras todavía está presurizado. El aire comprimido se enfría aún más en un intercambiador de calor antes de permitir que se expanda de nuevo a la presión atmosférica., La expansión hace que el aire se enfríe y una parte de él se licúe. La porción gaseosa enfriada restante se devuelve a través del otro lado del intercambiador de calor donde precolola el aire de alta presión entrante antes de regresar al compresor. La porción líquida generalmente se destila para producir oxígeno líquido, nitrógeno líquido y argón líquido. Otros gases, como el helio, se utilizan en un proceso similar para producir temperaturas aún más bajas, pero son necesarias varias etapas de expansión.
la criogenia tiene muchas aplicaciones., Los líquidos criogénicos, como el oxígeno, el nitrógeno y el argón, se utilizan a menudo en aplicaciones industriales y médicas. La resistencia eléctrica de la mayoría de los metales disminuye a medida que disminuye la temperatura. Ciertos metales pierden toda resistencia eléctrica por debajo de alguna temperatura de transición y se convierten en superconductores. Un electroimán enrollado con un alambre de tal metal puede producir campos magnéticos extremadamente altos sin generación de calor y sin consumo de energía eléctrica una vez que el campo se establece y el metal permanece frío. Estos metales, típicamente aleaciones de niobio enfriados a 4.,2 K, se utilizan para los imanes de los sistemas de imágenes por resonancia magnética (IRM) en la mayoría de los hospitales. La superconductividad en algunos metales fue descubierta por primera vez en 1911 por Onnes, pero desde 1986 otra clase de materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, se han encontrado superconductores a temperaturas mucho más altas, actualmente hasta aproximadamente 145 K. son un tipo de cerámica, y debido a su naturaleza frágil, son más difíciles de fabricar en alambres para imanes.,
otras aplicaciones de la criogenia incluyen la congelación rápida de algunos alimentos y la preservación de algunos materiales biológicos como el semen de ganado, así como la sangre humana, el tejido y los embriones. La práctica de congelar un cuerpo humano entero después de la muerte con la esperanza de restaurar la vida más tarde se conoce como criónica, pero no es una aplicación científica aceptada de la criogenia. La congelación de partes del cuerpo para destruir el tejido no deseado o que funciona mal se conoce como criocirugía. Se usa para tratar cánceres y anomalías de la piel, el cuello uterino, el útero, la glándula prostática y el hígado.,
Bibliografía
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Cryogenic Society of America, Cold Facts Newsletter, disponible en www.cryogenicsociety.org.