informazioni Criogenia
Questo articolo è stato Pubblicato* in: MacMillan Enciclopedia Di Chimica, New York, 2002, scritto da: Dr. Ray Radebaugh del NIST
*Contributo del NIST, non soggetto al diritto d’autore in U. S
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la Criogenia è la scienza che risolve la produzione e gli effetti di temperature molto basse. La parola deriva dalle parole greche ‘kryos’ che significa ” gelo “e’ genic ‘che significa” produrre.,”Sotto tale definizione potrebbe essere usato per includere tutte le temperature al di sotto del punto di congelamento dell’acqua (0 C). Tuttavia, il Prof. Kamerlingh Onnes dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi ha usato per la prima volta la parola nel 1894 per descrivere l’arte e la scienza di produrre temperature molto più basse. Ha usato la parola in riferimento alla liquefazione di gas permanenti come ossigeno, azoto, idrogeno ed elio. L’ossigeno era stato liquefatto a -183 C alcuni anni prima (nel 1887), ed era in corso una gara per liquefare i gas permanenti rimanenti a temperature ancora più basse., Le tecniche impiegate nella produzione di tali basse temperature erano molto diverse da quelle utilizzate un po ‘ prima nella produzione di ghiaccio artificiale. In particolare, sono necessari scambiatori di calore efficienti per raggiungere temperature molto basse. Nel corso degli anni il termine criogenica è stato generalmente utilizzato per riferirsi a temperature inferiori a circa -150 C.
Secondo le leggi della termodinamica, esiste un limite alla temperatura più bassa che può essere raggiunta, che è noto come zero assoluto. Le molecole sono nel loro stato energetico più basso, ma finito, allo zero assoluto., Tale temperatura è impossibile da raggiungere perché la potenza di ingresso richiesta si avvicina all’infinito. Tuttavia, sono state raggiunte temperature entro pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Lo zero assoluto è lo zero della scala di temperatura assoluta o termodinamica. È uguale a -273.15 C o -459.67 F. La scala assoluta metrica o SI (sistema internazionale) è conosciuta come la scala Kelvin la cui unità è il kelvin (non Kelvin) che ha la stessa grandezza del grado Celsius., Il simbolo per la scala Kelvin è K, come adottato dal 13th General Council on Weights and Measures (CGPM) nel 1968, e non K. Quindi, 0 C equivale a 273.15 K. La scala assoluta inglese, nota come scala Rankine, usa il simbolo R e ha un incremento uguale a quello della scala Fahrenheit. In termini di scala Kelvin la regione criogenica è spesso considerata quella inferiore a circa 120 K (-153 C). I gas permanenti comuni a cui si fa riferimento in precedenza cambiano da gas a liquido a pressione atmosferica alle temperature indicate nella Tabella 1, chiamate punto di ebollizione normale (NBP)., Tali liquidi sono noti come liquidi criogenici o criogeni. Quando l’elio liquido viene raffreddato ulteriormente a 2,17 K o inferiore, diventa un superfluido con proprietà molto insolite associate all’essere nello stato fondamentale della meccanica quantistica. Ad esempio, ha viscosità zero e produce un film che può insinuarsi e sopra le pareti di un contenitore aperto, come un becher, e gocciolare dal fondo finché la temperatura del contenitore rimane inferiore a 2,17 K.
La misurazione delle temperature criogeniche richiede metodi che potrebbero non essere così familiari al grande pubblico., I normali termometri a mercurio o alcol si congelano a temperature così basse e diventano inutili. Il termometro a resistenza al platino ha un comportamento ben definito di resistenza elettrica rispetto alla temperatura ed è comunemente usato per misurare con precisione le temperature, comprese le temperature criogeniche fino a circa 20 K. Alcuni materiali semiconduttori, come il germanio drogato, sono utili anche come termometri a resistenza elettrica per temperature fino a 1 K e inferiori, purché siano calibrati nell’intervallo da utilizzare., Tali termometri secondari sono calibrati contro termometri primari che utilizzano leggi fondamentali della fisica in cui una variabile fisica cambia in modo teorico ben noto con la temperatura.
La produzione di temperature criogeniche utilizza quasi sempre la compressione e l’espansione dei gas. In un tipico processo di liquefazione dell’aria l’aria viene compressa, facendola riscaldare e lasciata raffreddare a temperatura ambiente mentre è ancora pressurizzata. L’aria compressa viene ulteriormente raffreddata in uno scambiatore di calore prima che possa espandersi alla pressione atmosferica., L’espansione fa raffreddare l’aria e una parte di essa si liquefa. La restante parte gassosa raffreddata viene restituita attraverso l’altro lato dello scambiatore di calore dove preraffredda l’aria ad alta pressione in entrata prima di tornare al compressore. La porzione liquida viene solitamente distillata per produrre ossigeno liquido, azoto liquido e argon liquido. Altri gas, come l’elio, vengono utilizzati in un processo simile per produrre temperature ancora più basse, ma sono necessarie diverse fasi di espansione.
La criogenica ha molte applicazioni., I liquidi criogenici, come ossigeno, azoto e argon, sono spesso utilizzati in applicazioni industriali e mediche. La resistenza elettrica della maggior parte dei metalli diminuisce al diminuire della temperatura. Alcuni metalli perdono tutta la resistenza elettrica al di sotto di una certa temperatura di transizione e diventano superconduttori. Un elettromagnete avvolto con un filo di tale metallo può produrre campi magnetici estremamente elevati senza generazione di calore e nessun consumo di energia elettrica una volta che il campo è stabilito e il metallo rimane freddo. Questi metalli, tipicamente leghe di niobio raffreddati a 4.,2 K, sono utilizzati per i magneti dei sistemi di risonanza magnetica (MRI) nella maggior parte degli ospedali. Superconduttività in alcuni metalli è stata scoperta nel 1911 da Onnes, ma dal 1986 un’altra classe di materiali, noto come superconduttori ad alta temperatura, sono stati trovati per essere superconduttori a temperature molto più elevate, fino a circa 145 K. Si tratta di un tipo di ceramica, e a causa della loro natura fragile, sono più difficili da fabbricare in fili per i magneti.,
Altre applicazioni della criogenica includono il congelamento rapido di alcuni alimenti e la conservazione di alcuni materiali biologici come lo sperma del bestiame, il sangue umano, i tessuti e gli embrioni. La pratica di congelare un intero corpo umano dopo la morte nella speranza di ripristinare in seguito la vita è nota come crionica, ma non è un’applicazione scientifica accettata della criogenica. Il congelamento di porzioni del corpo per distruggere il tessuto indesiderato o malfunzionante è noto come criochirurgia. È usato per trattare i cancri e le anomalie della pelle, della cervice, dell’utero, della ghiandola di prostata e del fegato.,
Bibliografia
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Società criogenica d’America, Cold Facts Newsletter, disponibile da www.cryogenicsociety.org.