over Cryogenica
Dit artikel werd gepubliceerd* in: the MacMillan Encyclopedia Of Chemistry, New York, 2002, geschreven door: Dr.Ray Radebaugh van NIST
*bijdrage van NIST, niet onderworpen aan copyright in de VS
Afdrukbare versie: download PDF
Cryogenica is de wetenschap die de productie en effecten van zeer lage temperaturen. Het woord is afkomstig van de Griekse woorden ‘kryos’ betekent “vorst” en ‘genic’ betekent “te produceren.,”Onder een dergelijke definitie zou het kunnen worden gebruikt om alle temperaturen onder het vriespunt van water (0 C). Prof.Kamerlingh Onnes van de Universiteit Leiden gebruikte het woord echter voor het eerst in 1894 om de kunst en wetenschap van het produceren van veel lagere temperaturen te beschrijven. Hij gebruikte het woord in verwijzing naar de vloeibaarmaking van permanente gassen zoals zuurstof, stikstof, waterstof en helium. Zuurstof was vloeibaar gemaakt bij -183 C een paar jaar eerder (in 1887), en er was een race aan de gang om de resterende permanente gassen vloeibaar te maken bij nog lagere temperaturen., De technieken die werden toegepast bij het produceren van dergelijke lage temperaturen waren heel anders dan die welke iets eerder werden gebruikt bij de productie van kunstijs. In het bijzonder zijn efficiënte warmtewisselaars nodig om zeer lage temperaturen te bereiken. In de loop der jaren is de term cryogenica over het algemeen gebruikt om te verwijzen naar temperaturen onder ongeveer -150 C.
volgens de wetten van de thermodynamica bestaat er een limiet aan de laagste temperatuur die kan worden bereikt, die bekend staat als het absolute nulpunt. Moleculen bevinden zich in hun laagste, maar eindige, energietoestand op absoluut NUL., Een dergelijke temperatuur is onmogelijk te bereiken omdat het benodigde ingangsvermogen oneindig nadert. Echter, temperaturen binnen een paar miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt zijn bereikt. Het Absolute nulpunt is het nulpunt van de absolute of thermodynamische temperatuurschaal. Het is gelijk aan -273.15 C of -459.67 F. De metrische of SI (Internationaal Systeem) absolute schaal is bekend als de Kelvin schaal waarvan de eenheid de kelvin is (niet Kelvin) die dezelfde magnitude heeft als de graad Celsius., Het symbool voor de Kelvin-schaal is K, zoals aangenomen door de 13e Algemene Raad voor gewichten en maten (CGPM) in 1968, en niet K. dus, 0 C is gelijk aan 273,15 K. de Engelse absolute schaal, bekend als de Rankine-schaal, gebruikt het symbool R en heeft een toename die gelijk is aan die van de Fahrenheit-schaal. In termen van de Kelvin schaal wordt het cryogene gebied vaak beschouwd als dat onder ongeveer 120 K (-153 C). De gemeenschappelijke permanente gassen waarnaar eerder wordt verwezen, veranderen van gas in vloeistof bij atmosferische druk bij de in Tabel 1 vermelde temperaturen, het normale kookpunt (NBP) genoemd., Dergelijke vloeistoffen zijn bekend als cryogene vloeistoffen of cryogenen. Wanneer vloeibaar helium verder wordt gekoeld tot 2,17 K of lager, wordt het een superfluïd met zeer ongebruikelijke eigenschappen geassocieerd met het zijn in de kwantummechanische grondtoestand. Het heeft bijvoorbeeld geen viscositeit en produceert een film die op en over de wanden van een open recipiënt kan kruipen, zoals een bekerglas, en van de bodem kan druppelen zolang de temperatuur van de recipiënt lager blijft dan 2,17 K.
voor het meten van cryogene temperaturen zijn methoden nodig die misschien niet zo vertrouwd zijn bij het grote publiek., Normale kwik-of alcoholthermometers bevriezen bij zulke lage temperaturen en worden nutteloos. De platinum weerstandsthermometer heeft een goed gedefinieerd gedrag van elektrische weerstand versus temperatuur en wordt vaak gebruikt om temperaturen nauwkeurig te meten, inclusief cryogene temperaturen tot ongeveer 20 K. bepaalde halfgeleidermaterialen, zoals gedoteerd germanium, zijn ook nuttig als elektrische weerstandsthermometers voor temperaturen tot 1 K en lager, zolang ze worden gekalibreerd over het bereik dat ze moeten worden gebruikt., Dergelijke secundaire thermometers worden gekalibreerd tegen primaire thermometers die fundamentele wetten van de fysica gebruiken waarin een fysische variabele verandert op een bekende theoretische manier met de temperatuur.
bij de productie van cryogene temperaturen wordt bijna altijd gebruik gemaakt van compressie en expansie van gassen. In een typisch luchtliquefactieproces wordt de lucht gecomprimeerd, waardoor deze wordt verwarmd, en kan worden afgekoeld tot kamertemperatuur terwijl deze nog onder druk staat. De perslucht wordt verder gekoeld in een warmtewisselaar voordat deze weer kan uitzetten naar de atmosferische druk., De uitzetting zorgt ervoor dat de lucht afkoelt en een deel ervan vloeibaar wordt. Het resterende gekoelde gasvormige gedeelte wordt teruggestuurd via de andere kant van de warmtewisselaar, waar het de inkomende hogedruklucht voorkoelt alvorens terug te keren naar de compressor. Het vloeibare gedeelte wordt meestal gedistilleerd om vloeibare zuurstof, vloeibare stikstof en vloeibaar argon te produceren. Andere gassen, zoals helium, worden in een soortgelijk proces gebruikt om nog lagere temperaturen te produceren, maar verschillende uitzettingsstadia zijn noodzakelijk.
Cryogenica heeft vele toepassingen., Cryogene vloeistoffen, zoals zuurstof, stikstof en argon, worden vaak gebruikt in industriële en medische toepassingen. De elektrische weerstand van de meeste metalen neemt af naarmate de temperatuur daalt. Bepaalde metalen verliezen alle elektrische weerstand onder een bepaalde overgangstemperatuur en worden supergeleiders. Een elektromagneet die met een draad van zo ‘ n metaal is omwikkeld, kan extreem hoge magnetische velden produceren zonder warmteopwekking en zonder verbruik van elektrische energie zodra het veld is ingesteld en het metaal koud blijft. Deze metalen, meestal niobium legeringen gekoeld tot 4.,2 K, worden gebruikt voor de magneten van magnetic resonance imaging (MRI) systemen in de meeste ziekenhuizen. Supergeleiding in sommige metalen werd voor het eerst ontdekt in 1911 door Onnes, maar sinds 1986 blijkt een andere klasse van materialen, bekend als hoge temperatuur supergeleiders, supergeleidend te zijn bij veel hogere temperaturen, momenteel tot ongeveer 145 K. Ze zijn een type Keramiek, en vanwege hun broze aard, zijn ze moeilijker te fabriceren tot draden voor magneten.,
andere toepassingen van cryogenica zijn het snel invriezen van sommige voedingsmiddelen en het conserveren van sommige biologische materialen zoals sperma van dieren en menselijk bloed, weefsel en embryo ‘ s. De praktijk van het invriezen van een heel menselijk lichaam na de dood in de hoop later het leven te herstellen staat bekend als cryonica, maar het is geen geaccepteerde wetenschappelijke toepassing van cryogenica. Het invriezen van delen van het lichaam om ongewenst of slecht functionerend weefsel te vernietigen staat bekend als cryochirurgie. Het wordt gebruikt om kanker en afwijkingen van de huid, baarmoederhals, baarmoeder, prostaatklier, en lever te behandelen.,
Bibliography
Scurlock, Ralph G., ed. (1993). Geschiedenis en oorsprong van Cryogenica. Oxford, Clarendon Press.
Shachtman, Tom (1999). Absolute nul en de verovering van de kou. Boston, Houghton Mifflin Company.
Barron, Randall (1985). Cryogene Systemen. Oxford, Oxford Press.
Flynn, Thomas (1997). Cryogene Techniek. New York, Marcel Dekker.
Weisend, John G. II, ed. (1998). Handbook of Cryogenic Engineering. Philadelphia, Taylor en Francis.
Seeber, Bernd, ed. (1998). Handboek van Toegepaste supergeleiding. Bristol, Institute of Physics Publishing.,
Cryogenic Society of America, Cold Facts Newsletter, verkrijgbaar bij www.cryogenicsociety.org.