Despre Criogenie
Acest articol a fost Publicat* în: MacMillan Enciclopedie De Chimie, New York, 2002, scris de: Dr. Ray Radebaugh de NIST
*Contribuția NIST, care nu fac obiectul drepturilor de autor din sua
versiune Imprimabilă: descărcați PDF
Criogenie este știința care se referă la producția și efecte de temperaturi foarte scăzute. Cuvântul provine din cuvintele grecești „kryos” care înseamnă ” îngheț „și” genic „care înseamnă” a produce.,”În conformitate cu o astfel de definiție, ar putea fi utilizată pentru a include toate temperaturile sub punctul de îngheț al apei (0 C). Cu toate acestea, profesorul Kamerlingh Onnes de la Universitatea din Leiden din Olanda a folosit pentru prima dată cuvântul în 1894 pentru a descrie arta și știința producerii de temperaturi mult mai scăzute. El a folosit cuvântul cu referire la lichefierea gazelor permanente, cum ar fi oxigenul, azotul, hidrogenul și heliul. Oxigenul fusese lichefiat la -183 C cu câțiva ani mai devreme (în 1887), iar o cursă era în desfășurare pentru a lichefia gazele permanente rămase la temperaturi chiar mai scăzute., Tehnicile utilizate în producerea unor astfel de temperaturi scăzute au fost destul de diferite de cele utilizate oarecum mai devreme în producția de gheață artificială. În special, schimbătoarele de căldură eficiente sunt necesare pentru a atinge temperaturi foarte scăzute. De-a lungul anilor, termenul criogenic a fost folosit în general pentru a se referi la temperaturi sub aproximativ -150 C.
conform legilor termodinamicii, există o limită la cea mai scăzută temperatură care poate fi atinsă, cunoscută sub numele de zero absolut. Moleculele sunt în cea mai mică stare de energie, dar finită, la zero absolut., O astfel de temperatură este imposibil de atins, deoarece puterea de intrare necesară se apropie de infinit. Cu toate acestea, s-au atins temperaturi de câteva miliarde de grade peste zero absolut. Zero absolut este zero a scalei de temperatură absolută sau termodinamică. Este egal cu -273.15 C sau -459.67 F. scara absolută metrică sau SI (sistem internațional) este cunoscută sub numele de scara Kelvin a cărei unitate este kelvin (nu Kelvin) care are aceeași magnitudine ca gradul Celsius., Simbolul pentru scara Kelvin este K, cum au fost adoptate de-a 13-Consiliul General de Măsuri și Greutăți (CGPM) în 1968, și nu K. Astfel, în 0 C este egal cu 273.15 K. engleză dimensiune absolută, cunoscut sub numele de scara Rankine, folosește simbolul R și are o creștere la fel ca cea de scara Fahrenheit. În ceea ce privește scara Kelvin, Regiunea criogenică este adesea considerată a fi cea mai mică de aproximativ 120 K (-153 C). Gazele permanente comune se referă la trecerea anterioară de la gaz la lichid la presiunea atmosferică la temperaturile prezentate în tabelul 1, numit punctul de fierbere normal (NBP)., Astfel de lichide sunt cunoscute sub numele de lichide criogenice sau criogene. Când heliul lichid este răcit în continuare la 2,17 K sau mai jos, devine un superfluid cu proprietăți foarte neobișnuite asociate cu a fi în starea mecanică cuantică. De exemplu, are zero vâscozitate și produce un film care poate târî până și pe pereții unui recipient deschis, cum ar fi un pahar, și picura pe jos atâta timp cât temperatura din recipient rămâne sub 2.17 K.
măsurarea de temperaturi criogenice necesită metode care nu pot fi atât de familiare publicului larg., Termometrele normale cu mercur sau alcool îngheață la temperaturi atât de scăzute și devin inutile. Termometru cu rezistență de platină are o bine-definit comportamentul rezistentei electrice cu temperatura și este frecvent utilizat pentru a măsura temperatura cu precizie, inclusiv temperaturi criogenice până la aproximativ 20 K. Anumite materiale semiconductoare, cum ar fi germaniu dopat, sunt, de asemenea, util ca rezistența electrică termometre pentru temperaturi de până la 1 K și mai jos, atâta timp cât acestea sunt calibrate în intervalul în care vor fi utilizate., Astfel de termometre secundare sunt calibrate împotriva termometrelor primare care utilizează legile fundamentale ale fizicii în care o variabilă fizică se schimbă într-un mod teoretic binecunoscut cu temperatura. producția de temperaturi criogenice utilizează aproape întotdeauna compresia și expansiunea gazelor. Într-un proces tipic de lichefiere a aerului, aerul este comprimat, determinând încălzirea acestuia și lăsat să se răcească înapoi la temperatura camerei, în timp ce este încă sub presiune. Aerul comprimat este răcit în continuare într-un schimbător de căldură înainte de a i se permite să se extindă înapoi la presiunea atmosferică., Expansiunea face ca aerul să se răcească și o parte din acesta să se lichefieze. Porțiunea gazoasă răcită rămasă este returnată prin cealaltă parte a schimbătorului de căldură unde precools aerul de înaltă presiune de intrare înainte de a reveni la compresor. Porțiunea lichidă este de obicei distilată pentru a produce oxigen lichid, azot lichid și argon lichid. Alte gaze, cum ar fi heliul, sunt utilizate într-un proces similar pentru a produce temperaturi chiar mai scăzute, dar sunt necesare mai multe etape de expansiune.Criogenia are multe aplicații., Lichidele criogenice, cum ar fi oxigenul, azotul și argonul, sunt adesea utilizate în aplicații industriale și medicale. Rezistența electrică a majorității metalelor scade odată cu scăderea temperaturii. Anumite metale pierd toată rezistența electrică sub o anumită temperatură de tranziție și devin supraconductori. Un electromagnet înfășurat cu un fir de un astfel de metal poate produce câmpuri magnetice extrem de ridicate, fără generarea de căldură și fără consumul de energie electrică odată ce câmpul este stabilit și metalul rămâne rece. Aceste metale, de obicei aliaje de niobiu răcit la 4.,2 K, sunt utilizate pentru magneții sistemelor de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN) în majoritatea spitalelor. Supraconductivitatea în unele metale a fost descoperită pentru prima dată în 1911 de Onnes, dar din 1986 o altă clasă de materiale, cunoscută sub numele de supraconductori de temperatură ridicată, s-a dovedit a fi supraconductoare la temperaturi mult mai ridicate, în prezent până la aproximativ 145 K. Ele sunt un tip de ceramică și, datorită naturii lor fragile, sunt mai dificil de fabricat, alte aplicații ale criogeniei includ înghețarea rapidă a unor alimente și conservarea unor materiale biologice, cum ar fi materialul seminal de animale, precum și sângele, țesutul și embrionii umani. Practica înghețării unui întreg corp uman după moarte, în speranța restabilirii ulterioare a vieții, este cunoscută sub numele de crionică, dar nu este o aplicație științifică acceptată a criogenicii. Înghețarea porțiunilor corpului pentru a distruge țesutul nedorit sau defectuos este cunoscută sub numele de criochirurgie. Este utilizat pentru a trata cancerele și anomaliile pielii, colului uterin, uterului, prostatei și ficatului.,
Bibliografie
Scurlock, Ralph G., ed. (1993). Istoria și originile Criogenicii. Oxford, Clarendon Press.Shachtman, Tom (1999). Zero absolut și cucerirea frigului. Boston, Houghton Mifflin Company.
Barron, Randall (1985). Sisteme Criogenice. Oxford, Oxford Press.Flynn, Thomas (1997). Inginerie Criogenică. New York, Marcel Dekker.Weisend, Ioan G. II, ed. (1998). Manual de inginerie criogenică. Philadelphia, Taylor și Francis.
Seeber, Bernd, ed. (1998). Manual de supraconductivitate aplicată. Bristol, Institutul de Fizică Publishing.,
societatea criogenică a Americii, newsletter-ul fapte rece, disponibil de la www.cryogenicsociety.org.