O Kriogenice
artykuł ten został opublikowany* w: The MacMillan Encyclopedia of Chemistry, New York, 2002, napisany przez: Dr. Ray Radebaugh z NIST
*wkład NIST, niepodlegający prawom autorskim w USA
Wersja do druku: Pobierz PDF
kriogenika jest nauką, która zajmuje się produkcją i skutkami bardzo niskich temperatury. Słowo pochodzi od greckich słów „kryos” oznaczających „mróz” oraz „genic” oznaczającego ” produkować.,”Zgodnie z taką definicją można uwzględnić wszystkie temperatury poniżej temperatury zamarzania wody (0 C). Jednak Prof. Kamerlingh Onnes z Uniwersytetu w Lejdzie w Holandii po raz pierwszy użył tego słowa w 1894 roku, aby opisać sztukę i naukę wytwarzania znacznie niższych temperatur. Użył tego słowa w odniesieniu do skraplania stałych gazów, takich jak tlen, azot, wodór i hel. Tlen został skroplony w temperaturze -183 ° C kilka lat wcześniej (w 1887), a wyścig był w toku, aby skroplić Pozostałe stałe gazy w jeszcze niższych temperaturach., Techniki stosowane w produkcji tak niskich temperatur były zupełnie inne niż te stosowane nieco wcześniej w produkcji sztucznego lodu. W szczególności wydajne wymienniki ciepła są wymagane do osiągnięcia bardzo niskich temperatur. Na przestrzeni lat termin kriogenika był powszechnie używany w odniesieniu do temperatur poniżej około -150 C.
zgodnie z prawami termodynamiki istnieje granica najniższej temperatury, która może być osiągnięta, która jest znana jako zero absolutne. Molekuły znajdują się w najniższym, ale skończonym stanie energetycznym na poziomie zera absolutnego., Taka temperatura jest niemożliwa do osiągnięcia, ponieważ wymagana moc wejściowa zbliża się do nieskończoności. Jednak temperatury w granicach kilku miliardów stopni powyżej zera bezwzględnego zostały osiągnięte. Zero bezwzględne jest zerem bezwzględnej lub termodynamicznej skali temperatury. Jest ona równa -273.15 C lub -459.67 F. metryczny lub SI (Międzynarodowy System) skala absolutna jest znana jako skala Kelvina, którego jednostką jest kelvin (Nie Kelvin), który ma taką samą wielkość jak stopień Celsjusza., Symbolem skali Kelvina jest K, przyjęty przez 13th General Council on Weights and Measures (Cgpm) w 1968 roku, a nie K. zatem 0 C równa się 273,15 K. angielska skala absolutna, znana jako skala Rankine ' a, używa symbolu R i ma przyrost taki sam jak skala Fahrenheita. W skali Kelvina region kriogeniczny jest często uważany za mniej więcej 120 K (-153 C). Typowe stałe gazy, o których mowa wcześniej, zmieniają się z gazu w ciecz pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturach podanych w tabeli 1, zwanych normalną temperaturą wrzenia (NBP)., Takie ciecze są znane jako ciecze kriogeniczne lub kriogeny. Gdy ciekły hel jest chłodzony dalej do 2,17 K lub poniżej, staje się superfluidem o bardzo nietypowych właściwościach związanych z przebywaniem w kwantowym stanie mechanicznym. Na przykład ma zerową lepkość i tworzy film, który może pełzać po ścianach otwartego pojemnika, takiego jak zlewka, i spływać z dna, o ile temperatura pojemnika pozostaje poniżej 2,17 K.
pomiar temperatur kriogenicznych wymaga metod, które mogą nie być tak znane ogółowi społeczeństwa., Normalne termometry rtęciowe lub alkoholowe zamarzają w tak niskich temperaturach i stają się bezużyteczne. Platynowy termometr rezystancyjny ma dobrze zdefiniowane zachowanie rezystancji elektrycznej w stosunku do temperatury i jest powszechnie stosowany do dokładnego pomiaru temperatur, w tym temperatur kriogenicznych do około 20 K. niektóre materiały półprzewodnikowe, takie jak domieszkowany German, są również przydatne jako elektryczne Termometry rezystancyjne dla temperatur do 1 K i poniżej, o ile są kalibrowane w zakresie, w jakim mają być używane., Takie Termometry wtórne są kalibrowane względem termometrów pierwotnych, które wykorzystują podstawowe prawa fizyki, w których zmienna fizyczna zmienia się w dobrze znany teoretyczny sposób z temperaturą.
produkcja temperatur kriogenicznych prawie zawsze wykorzystuje sprężanie i rozszerzanie się gazów. W typowym procesie skraplania powietrze jest sprężane, powodując jego nagrzanie i pozostawione do ochłodzenia z powrotem do temperatury pokojowej, a jednocześnie pod ciśnieniem. Sprężone powietrze jest następnie chłodzone w wymienniku ciepła, zanim zostanie dopuszczone do powrotu do ciśnienia atmosferycznego., Ekspansja powoduje ochłodzenie powietrza, a jego część upłynnia się. Pozostała schłodzona część gazowa jest zwracana przez drugą stronę wymiennika ciepła, gdzie wstępnie chłodzi napływające wysokociśnieniowe powietrze przed powrotem do sprężarki. Część płynna jest zwykle destylowana w celu wytworzenia ciekłego tlenu, ciekłego azotu i ciekłego argonu. Inne gazy, takie jak hel, są używane w podobnym procesie, aby wytworzyć jeszcze niższe temperatury, ale konieczne jest kilka etapów ekspansji.
kriogenika ma wiele zastosowań., Ciecze kriogeniczne, takie jak tlen, azot i argon, są często stosowane w zastosowaniach przemysłowych i medycznych. Opór elektryczny większości metali maleje wraz ze spadkiem temperatury. Niektóre metale tracą całą rezystancję elektryczną poniżej pewnej temperatury przejściowej i stają się nadprzewodnikami. Elektromagnes nawinięty drutem z takiego metalu może wytwarzać ekstremalnie wysokie pola magnetyczne bez generowania ciepła i bez zużycia energii elektrycznej, gdy pole zostanie ustanowione i metal pozostanie zimny. Te metale, zazwyczaj stopy niobu chłodzone do 4.,2 K, są używane do magnesów rezonansu magnetycznego (MRI) systemów w większości szpitali. Nadprzewodnictwo w niektórych metalach zostało po raz pierwszy odkryte w 1911 roku przez Onnes, ale od 1986 roku inna klasa materiałów, znana jako nadprzewodniki wysokotemperaturowe, stwierdzono, że są nadprzewodnikami w znacznie wyższych temperaturach, obecnie do około 145 K. Są one rodzajem ceramiki, a ze względu na ich kruchość, są trudniejsze do wytworzenia w druty na magnesy.,
Inne zastosowania kriogeniki obejmują szybkie zamrażanie niektórych produktów spożywczych i zachowanie niektórych materiałów biologicznych, takich jak nasienie zwierząt gospodarskich, a także ludzka krew, tkanka i embriony. Praktyka zamrażania całego ludzkiego ciała po śmierci w nadziei na późniejsze przywrócenie życia jest znana jako krionika, ale nie jest akceptowanym naukowym zastosowaniem kriogeniki. Zamrażanie części ciała w celu zniszczenia niechcianej lub nieprawidłowo działającej tkanki jest znane jako kriochirurgia. Jest on stosowany w leczeniu nowotworów i nieprawidłowości skóry, szyjki macicy, gruczołu krokowego i wątroby.,
Bibliografia
Scurlock, Ralph G., ed. (1993). Historia i początki Kriogeniki. Oxford, Clarendon Press.
Shachtman, Tom (1999). Zero absolutne i podbój zimna. Boston, Houghton Mifflin Company.
Barron, Randall (1985). Systemy Kriogeniczne. Oxford, Oxford Press.
Inżynieria Kriogeniczna. Nowy Jork, Marcel Dekker.
Weisend, John G. II, ed. (1998). Podręcznik inżynierii kriogenicznej. Philadelphia, Taylor i Francis.
Seeber, Bernd, ed. (1998). Podręcznik nadprzewodnictwa stosowanego. Bristol, Instytut Wydawniczy fizyki.,
Cryogenic Society of America, Cold Facts Newsletter, dostępny od www.cryogenicsociety.org.