Tietoja Cryogenics
Tämä artikkeli on Julkaistu* in: MacMillan Tietosanakirja Kemia, New York, 2002, kirjoittanut: Dr. Ray Radebaugh osa NIST
*Panos NIST, ei sovelleta tekijänoikeus Yhdysvalloissa
Tulostettava versio: lataa PDF
Kryogeniikka on tiede, joka käsittelee tuotantoa ja vaikutuksia erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Sana on peräisin kreikan sanoista ’kryos’ tarkoittaa ”frost” ja ’aiheuttavaa’ tarkoittaa ”tuottaa.,”Tällaisen määritelmän mukaan siihen voitaisiin sisällyttää kaikki lämpötilat veden jäätymispisteen alapuolella (0 C). Kuitenkin, Prof. Kamerlingh Onnes University of Leiden Alankomaat ensimmäinen käytti sanaa vuonna 1894 kuvaamaan taiteen ja tieteen tuottamaan paljon alemmissa lämpötiloissa. Hän käytti sanaa viitaten pysyvien kaasujen kuten hapen, typen, vedyn ja heliumin nesteytykseen. Happea oli ollut nesteytetyn klo -183 C muutamaa vuotta aiemmin (vuonna 1887), ja kilpailu oli käynnissä nesteyttää jäljellä pysyvien kaasujen jopa alhaisissa lämpötiloissa., Näin alhaisten lämpötilojen tuottamisessa käytetyt tekniikat olivat aivan erilaisia kuin hieman aikaisemmin tekojään tuotannossa käytetyt tekniikat. Erityisesti tarvitaan tehokkaita lämmönvaihtimia, jotta päästään hyvin alhaisiin lämpötiloihin. Vuosien aikavälillä kryogeniikka on yleisesti käytetty viitata lämpötila on alle noin -150 C.
Mukaan termodynamiikan lakeja, on olemassa raja, alin lämpötila, joka voidaan saavuttaa, joka tunnetaan absoluuttinen nollapiste. Molekyylit ovat alimmillaan, mutta äärellisessä energiatilassa absoluuttisessa nollassa., Tällaista lämpötilaa on mahdotonta saavuttaa, koska tarvittava syöttöteho lähestyy ääretöntä. Lämpötilat ovat kuitenkin muutaman miljardisosan asteen sisällä absoluuttisen nollan yläpuolella. Absoluuttinen nolla on absoluuttisen tai termodynaamisen lämpötila-asteikon nolla. Se on yhtä -273.15 C tai -459.67 F metrijärjestelmä tai SI (International System) absoluuttinen asteikko tunnetaan Kelvin-asteikko, jonka yksikkö on kelvin (ei Kelvin), joka on samaa suuruusluokkaa kuin Celsius., Symboli Kelvin asteikko on K, joka hyväksyttiin 13. Yleistä Neuvoston Painot ja Toimenpiteet (CGPM) vuonna 1968, eikä K Siten, 0 C vastaa 273.15 K. englanti absoluuttinen asteikko, joka tunnetaan Rankine-asteikko, käyttää symbolilla R, ja se on lisäys sama kuin Fahrenheit asteikon. Kelvin-asteikolla kryogeenisen alueen katsotaan usein olevan alle noin 120 K (-153 C). Yhteinen pysyvä kaasut, aiemmin mainittu muutos kaasun neste ilmakehän paineessa lämpötiloissa on esitetty Taulukossa 1, kutsutaan normaali kiehumispiste (NBP)., Tällaisia nesteitä kutsutaan kryogeenisiksi nesteiksi tai kryogeeneiksi. Kun nestemäinen helium jäähdytetään edelleen 2.17 K tai alle, se tulee superfluid erittäin epätavallinen ominaisuuksia, jotka liittyvät oleminen kvanttimekaniikan maahan valtion. Esimerkiksi, se on nolla viskositeetti ja tuottaa elokuva, joka voi hiipiä ja yli seinät avoimeen astiaan kuten dekantterilasiin, ja tippua pois pohjasta niin kauan kuin lämpötila säiliössä on alle 2.17 K
mittaus kryogeenisten lämpötiloissa vaatii menetelmiä, jotka eivät välttämättä ole niin tuttuja suurelle yleisölle., Normaali elohopea-tai alkoholilämpömittari jäätyy näin alhaisissa lämpötiloissa ja muuttuu käyttökelvottomaksi. Platinum resistance thermometer on hyvin määritelty käyttäytyminen sähköinen vastus vs. lämpötila ja on yleisesti käytetään mittaamaan lämpötila tarkasti, kuten kryogeeniset lämpötilat alas noin 20 K. Tiettyjä puolijohtavalla materiaaleja, kuten dopingia germanium, ovat myös hyödyllisiä, koska sähköinen vastus lämpömittarit lämpötila laskee 1 K-ja alapuolella, niin kauan kuin ne on kalibroitu vuosien välillä, jotta niitä voidaan käyttää., Tällainen toissijainen lämpömittarit kalibroidaan vastaan ensisijainen lämpömittarit, joka käyttää fysiikan lakeja, jossa fyysinen muuttuja muutoksia tunnettu teoreettinen tapa lämpötila.
kryogeenisten lämpötilojen tuotannossa hyödynnetään lähes aina kaasujen puristusta ja laajenemista. Tyypillisessä ilman nesteytysprosessissa ilma on pakattu, jolloin se lämpöä ja annetaan jäähtyä huoneenlämpöön, kun vielä paineistettu. Paineilma jäähdytetään edelleen lämmönvaihtimessa ennen kuin sen annetaan laajentua takaisin ilmanpaineeseen., Laajeneminen saa ilman jäähtymään ja osan siitä nesteytymään. Jäljelle jäävä jäähdytetty kaasumainen osa palautetaan lämmönvaihtimen toisen puolen kautta, jossa se esilämmittää saapuvan korkeapaineisen ilman ennen paluuta kompressoriin. Nestemäinen osa tislataan yleensä nestemäisen hapen, nestemäisen typen ja nestemäisen argonin tuottamiseksi. Muita kaasuja, kuten heliumia, käytetään vastaavassa prosessissa tuottamaan vielä alhaisempia lämpötiloja, mutta useita laajenemisvaiheita tarvitaan.
Kryogeniikalla on monia sovelluksia., Kryogeenisiä nesteitä, kuten happea, typpeä ja argonia, käytetään usein teollisuudessa ja lääketieteessä. Useimpien metallien sähkövastus laskee lämpötilan laskiessa. Tietyt metallit menettävät kaiken sähkövastuksen jonkin siirtymälämpötilan alapuolella ja muuttuvat suprajohteiksi. Sähkömagneetti haava lanka, metalli voi tuottaa erittäin korkea magneettiset kentät, joissa ei ole lämmön ja ilman kulutus sähkön, kun kenttä on perustettu ja metalli on edelleen kylmä. Nämä metallit, tyypillisesti niobiumseokset jäähdytetään 4.,2 K, käytetään magneettiresonanssikuvausjärjestelmien (MRI) magneetteihin useimmissa sairaaloissa. Suprajohde joitakin metalleja, havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1911 Onnes, mutta vuodesta 1986 toisen luokan materiaaleja, tunnetaan korkean lämpötilan suprajohteet, on todettu olla suprajohtava paljon korkeampia lämpötiloja, tällä hetkellä jopa noin 145 K. Ne ovat eräänlainen keraaminen, ja koska niiden hauras luonne, he ovat enemmän vaikea valmistaa osaksi johdot magneetteja.,
muita kryogeniikan käyttökohteita ovat joidenkin elintarvikkeiden nopea pakastaminen ja joidenkin biologisten aineiden, kuten karjan siemennesteen, sekä ihmisveren, kudoksen ja alkioiden säilyttäminen. Käytännössä jäädyttäminen koko ihmiskehon kuoleman jälkeen siinä toivossa, että myöhemmin palauttaa elämän tunnetaan kryoniikka, mutta se ei ole hyväksyttyä tieteellistä soveltamista kryogeniikka. Kehon osien jäädyttäminen ei-toivotun tai epäkuntoisen kudoksen tuhoamiseksi tunnetaan kryokirurgiana. Sitä käytetään syöpien ja poikkeavuuksien hoitoon ihon, kohdunkaulan, kohdun, eturauhasen ja maksan.,
bibliografia
Scurlock, Ralph G., toim. (1993). Kryogeniikan historia ja alkuperä. Oxford, Clarendon Press.
Shachtman, Tom (1999). Absoluuttinen nolla ja kylmän valloitus. Boston, Houghton Mifflin Company.
Barron, Randall (1985). Kryogeeniset Järjestelmät. Oxford, Oxford Press.
Flynn, Thomas (1997). Kryogeeninen Tekniikka. New York, Marcel Dekker.
Weisend, John G. II, toim. (1998). Kryogeenisen tekniikan käsikirja. Philadelphia, Taylor ja Francis.
Seeber, Bernd, toim. (1998). Käsikirja sovelletusta Suprajohtavuudesta. Bristol, Institute of Physics Publishing.,
Cryogenic Society of America, Cold Facts Newsletter, saatavilla osoitteesta www.cryogenicsociety.org