En Ru
Энергосмарт - комплексные решения в области Криоэнергетики
+38 (056) 767 74 85
+38 (067) 632 95 46

О криогенике

05.10.2014
О криогенике
Криогеника - это наука, которая изучает создание и влияние очень низких температур. Само слово происходит от греческого слова «криос», означающего «мороз», и «генная» - означает «производить». При таком определении термин может быть использован для обозначения всех температур ниже точки замерзания воды (0° C). Тем не менее, в 1894 году профессор Камерлинг-Оннес, Лейденский университет, Нидерланды, впервые использовал это слово для описания искусства и науки создания гораздо более низких температур. Он использовал слово «криогенный» в отношении сниженных постоянных газов, таких как кислород, азот, водород, и гелий. Несколькими годами ранее (в 1887 году) кислород был приведен в жидкое состояние при -183°С, а гонка по сжижению оставшихся постоянных газов при еще более низких температурах продолжалась. Методы, которые использовались в производстве таких низких температур, довольно сильно отличались от тех, которые несколько ранее использовались при производстве искусственного льда. В частности, для достижения очень низких температур требуются эффективные теплообменники. На протяжении многих лет термин «криогенный» чаще всего используется для обозначения температур ниже около -150°С.
В соответствии с законами термодинамики, существует ограничение по самой низкой температуре, которая может быть достигнута, известная как абсолютный нуль. При абсолютном нуле молекулы находятся на самом низком уровне, но в конечном энергетическом состоянии. Достижение абсолютного нуля температуры невозможно, поскольку количество необходимой потребляемой мощности стремится к бесконечности. Тем не менее, были достигнуты температуры менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль является нулем абсолютной или термодинамической температурной шкалы. Он равен -273,15°С или -459,67 F. Абсолютная шкала метрическая или SI (Международная система) известна как шкала Кельвина, единица измерения которого - кельвин (не Кельвин) обозначается К, который имеет ту же величину, что и градус Цельсия. Таким образом, 0°С равен 273,15 К. Английская абсолютная шкала, известная как шкала Ранкина, (обозначение –R), имеет ту же цену деления, что и шкала Фаренгейта. По шкале Кельвина криогенной зоной часто считается та, температура которой равна ниже около 120К (-153°С). Распространённые постоянные газы, упомянутые ранее, переходят при атмосферном давлении из газообразного в жидкое состояние при температурах, указанных в таблице 1, называемых точкой кипения при нормальных условиях. Такие жидкости известны под названием криогенных.
Криогенный (K) (°C) (°R) (°F)
Метан 111.7 -161.5 201.1 -258.6
Кислород 90.2 -183.0 162.4 -297.3
Азот 77.4 -195.8 139.3 -320.4
Водород 20.3 -252.9 36.5 -423.2
Гелий 4.2 -269.0 7.6 -452.1
Абсолютный
нуль 0 -273.15 0 -459.67
При дальнейшем охлаждении гелия до 2,17 К или ниже, он превращается в сверхтекучую жидкость с очень необычными свойствами, связанными с пребыванием в
квантово-механическом состоянии. Например, гелий имеет нулевую вязкость и образует тонкий слой, который может ползти вверх и через стенки в открытой емкости, такой как химический стакан, и не стекать на дно до тех пор, пока температура в контейнере остается ниже 2,17 К.
Измерение криогенных температур требует методов, не особо знакомых широкой публике. Обычные термометры с ртутью или спиртом замерзают при таких низких температурах и становятся бесполезными. Платиновый термометр сопротивления имеет четко выраженные функциональные возможности электрического сопротивления в зависимости от температуры, и обычно используется для точного измерения температуры, в том числе криогенных температур до около 20 К. Определенные полупроводниковые материалы, такие как каклегированноый германий, также могут быть использованы в качестве электрических термометров сопротивления для измерения температуры до 1 К и ниже, при условии их калибровки в диапазоне применения. Такие вторичные термометры калибруются по первичным термометрам, которые используют основные законы физики, в которых физическая переменная изменяется известным теоретическим образом с температурой.
При создании криогенных температур почти всегда используются процессы сжатия и расширения газов. В типичном процессе сжижения воздуха воздух сжимается, в результате чего он нагревается, ему позволяют остыть до комнатной температуры, все еще находясь под давлением. Сжатый воздух далее охлаждается в теплообменнике, прежде чем ему позволят обратно расшириться до атмосферного давления. Процесс расширения охлаждает воздух, а его часть переходит в жидкое состояние. Остальная охлажденная газообразная часть возвращается через другую сторону теплообменника, где она предварительно охлаждает воздух, находящийся под высоким давлением, который туда поступает перед возвращением в компрессор. Жидкая часть, как правило, подвергается перегонке для производства жидкого кислорода, жидкого азота и жидкого аргона. Другие газы, такие как гелий, используются в схожем процессе, для создания еще более низких температур, однако необходимыми являются несколько стадий расширения.
Криогеника имеет множество применений. Криогенные жидкости, такие как кислород, азот, аргон, часто применяется в промышленных и медицинских целях. Электрическое сопротивление большинства металлов уменьшается при понижении температуры. Определенные металлы теряют электрическое сопротивление ниже некоторой температуры перехода, и становятся сверхпроводниками. Электромагнитные витки с проволокой из такого металла могут производить очень высокие магнитные поля без выделения тепла и без потребления электроэнергии, как только устанавливается поле и металл остается холодным. Эти металлы - как правило, сплавы ниобия, охлажденные до 4,2 К, используются для магнитов систем магнитно-резонансной томографии (МРТ) в большинстве больничных учреждений.
Сверхпроводимость некоторых металлов была впервые обнаружена в 1911 году Оннесом, однако начиная с 1986 г. выявили другой класс материалов, известных в качестве высокотемпературных сверхпроводников при значительно более высоких температурах - в настоящее время примерно до 145 К. Они представляют собой тип керамики, и из-за своих хрупких свойств они более сложны в изготовлении проводов для магнитов.
Другой способ применения заключается в быстрой заморозке определенных пищевых продуктов и сохранении некоторых биологических материалов, таких как семенная жидкость поголовья скота, а также крови человека, тканей и эмбрионов. Практика замораживания тела человека после его смерти в надежде его последующего оживления называется крионикой, однако она не является принятым научным применением криогеники. Замораживание частей тела для удаления нежелательных тканей называется криохирургией. Используется для лечения рака и патологий кожи, шейки матки, матки, предстательной железы и печени.
Обратный звонок Запрос предложения