Om Cryogenics
Denna artikel Publicerades* i: The MacMillan Encyclopedia Of Kemi, New York, 2002, skriven av: Dr. Ray Radebaugh av NIST
*Bidrag till NIST, som inte är föremål för upphovsrätt i U. S
Printable version: ladda ner PDF
Cryogenics är den vetenskap som behandlar produktion och effekter av mycket låga temperaturer. Ordet kommer från de grekiska orden ”kryos” som betyder ”frost” och ”genic” som betyder ” att producera.,”Enligt en sådan definition kan den användas för att inkludera alla temperaturer under fryspunkten för vatten (0 C). Men Professor Kamerlingh Onnes vid universitetet i Leiden i Nederländerna använde först ordet 1894 för att beskriva konsten och vetenskapen att producera mycket lägre temperaturer. Han använde ordet med hänvisning till flytning av permanenta gaser som syre, kväve, väte och helium. Syre hade kondenserats vid -183 C några år tidigare (1887), och en tävling var på gång för att smälta de återstående permanenta gaserna vid ännu lägre temperaturer., De tekniker som användes för att producera sådana låga temperaturer var helt annorlunda än de som användes något tidigare vid framställning av konstgjord is. I synnerhet krävs effektiva värmeväxlare för att nå mycket låga temperaturer. Under årens lopp har termen kryogenik i allmänhet använts för att hänvisa till temperaturer under ungefär -150 C.
enligt termodynamikens lagar finns det en gräns för den lägsta temperaturen som kan uppnås, vilket är känt som absolut noll. Molekyler är i deras lägsta, men ändliga, energitillstånd vid absolut noll., En sådan temperatur är omöjligt att nå eftersom den ingångseffekt som krävs närmar sig oändligheten. Temperaturer inom några miljarder av en grad över absolut noll har dock uppnåtts. Absolut noll är noll av den absoluta eller termodynamiska temperaturskalan. Den är lika med -273.15 C eller -459.67 F. den metriska eller Si (International System) absoluta skalan är känd som Kelvin skalan vars enhet är kelvin (inte Kelvin) som har samma storlek som graden Celsius., Symbolen för Kelvinskalan är K, som antogs av 13th General Council on Weights and Measures (CGPM) 1968, och inte K. Således är 0 C 273.15 K. Den engelska absoluta skalan, känd som Rankineskalan, använder symbolen R och har en ökning som är densamma som För Fahrenheit-skalan. När det gäller Kelvinskalan anses den kryogena regionen ofta vara den under cirka 120 K (-153 C). De vanliga permanenta gaserna hänvisade till tidigare förändring från gas till vätska vid atmosfärstryck vid de temperaturer som visas i Tabell 1, kallad normal kokpunkt (NBP)., Sådana vätskor är kända som kryogena vätskor eller kryogener. När flytande helium kyls vidare till 2,17 K eller lägre blir det en superfluid med mycket ovanliga egenskaper som är förknippade med att vara i kvantmekaniskt markläge. Den har till exempel nollviskositet och producerar en film som kan krypa upp och över väggarna i en öppen behållare, såsom en bägare, och droppa av botten så länge behållarens temperatur förblir under 2,17 K.
mätningen av kryogena temperaturer kräver metoder som kanske inte är så bekanta för allmänheten., Normala kvicksilver-eller alkoholtermometrar fryser vid så låga temperaturer och blir värdelösa. Platinum resistance thermometer har ett väldefinierat beteende av elektrisk resistens mot temperatur och används ofta för att mäta temperaturer exakt, inklusive kryogena temperaturer ner till ca 20 K. vissa halvledande material, såsom dopad germanium, är också användbara som elektriska resistanstermometrar för temperaturer ner till 1 K och under, så länge de är kalibrerade över det område de ska användas., Sådana sekundära termometrar kalibreras mot primära termometrar som utnyttjar grundläggande fysikens lagar där en fysisk variabel förändras på ett välkänt teoretiskt sätt med temperatur.
produktionen av kryogena temperaturer använder nästan alltid kompression och expansion av gaser. I en typisk luftförtunningsprocess komprimeras luften, vilket gör att den värms upp och får svalna tillbaka till rumstemperatur medan den fortfarande trycksätts. Tryckluften kyls ytterligare i en värmeväxlare innan den får expandera tillbaka till atmosfärstrycket., Expansionen får luften att svalna och en del av den att smälta. Den återstående kylda gasformiga delen returneras genom den andra sidan av värmeväxlaren där den förpackar den inkommande högtrycksluften innan den återgår till kompressorn. Den flytande delen destilleras vanligtvis för att producera flytande syre, flytande kväve och flytande argon. Andra gaser, såsom helium, används i en liknande process för att producera ännu lägre temperaturer, men flera expansionsstadier är nödvändiga.
Cryogenics har många applikationer., Kryogena vätskor, såsom syre, kväve och argon, används ofta i industriella och medicinska tillämpningar. Det elektriska motståndet hos de flesta metaller minskar när temperaturen minskar. Vissa metaller förlorar allt elektriskt motstånd under en viss övergångstemperatur och blir supraledare. En elektromagnet sår med en tråd av en sådan metall kan producera extremt höga magnetfält utan värmeproduktion och ingen förbrukning av elkraft när fältet är etablerat och metallen förblir kall. Dessa metaller, typiskt nioblegeringar kyls till 4.,2 K, används för magneter av magnetiska resonansavbildning (MR) system på de flesta sjukhus. Supraledning i vissa metaller upptäcktes först 1911 av Onnes, men sedan 1986 har en annan klass av material, känd som supraledare med hög temperatur, visat sig vara supraledande vid mycket högre temperaturer, för närvarande upp till cirka 145 K. De är en typ av keramik, och på grund av deras spröda natur är de svårare att tillverka i ledningar för magneter.,
andra tillämpningar av kryogenik inkluderar snabb frysning av vissa livsmedel och bevarande av vissa biologiska material såsom sperma från boskap samt humant blod, vävnad och embryon. Bruket att frysa en hel mänsklig kropp efter döden i hopp om att senare återställa livet är känt som kryonik, men det är inte en accepterad vetenskaplig tillämpning av kryogenik. Frysning av delar av kroppen för att förstöra oönskade eller funktionsstörningar vävnad kallas kryokirurgi. Det används för att behandla cancer och abnormiteter i huden, livmoderhalsen, livmodern, prostatakörteln och leveren.,
bibliografi
Scurlock, Ralph G., ed. (1993). Historia och ursprung av Kryogenik. Oxford, Clarendon Press.
Shachtman, Tom (1999). Absolut noll och erövring av kyla. Boston, Houghton Mifflin Company.
Barron, Randall (1985). Lågtemperatursystem. Oxford, Oxford Press.
Flynn, Thomas (1997). Kryogenteknik. New York, Marcel Dekker.
Weisend, John G. II, ed. (1998). Handbok för Kryogenteknik. Philadelphia, Taylor & Francis.
Seeber, Bernd, ed. (1998). Handbok för tillämpad supraledning. Bristol, Institutet för fysik publicering.,
Cryogenic Society of America, Cold Facts Newsletter, tillgänglig från www.cryogenicsociety.org.