Понимание концепции криогеники

Криогеника определяется как научное изучение материалов и их поведения при чрезвычайно низких температурах. Слово происходит от греческого cryo , что означает «холодный», и genic , что означает «производящий». Этот термин обычно встречается в контексте физики, материаловедения и медицины. Ученого, изучающего криогенику, называют криогеником . Криогенный материал можно назвать криогеном . Хотя холодные температуры могут быть указаны с использованием любой температурной шкалы, шкалы Кельвина и Ренкина являются наиболее распространенными, поскольку они представляют собой абсолютные шкалы с положительными числами.

Насколько холодно вещество должно считаться «криогенным» – это предмет некоторых дискуссий в научном сообществе. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) считает, что криогеника включает температуры ниже -180 ° C (93,15 K; -292,00 ° F), то есть температуры, выше которой обычные хладагенты (например, сероводород, фреон) являются газами и ниже которого «постоянные газы» (например, воздух, азот, кислород, неон, водород, гелий) являются жидкостями. Существует также область исследований, называемая «высокотемпературная криогеника», в которой используются температуры выше точки кипения жидкого азота при обычном давлении (от -195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F) до -50 ° C (223,15 ° C). K; −58,00 ° F).

Для измерения температуры криогенов требуются специальные датчики. Датчики температуры сопротивления (RTD) используются для измерения температуры до 30 К. При температурах ниже 30 К. часто используются кремниевые диоды. Детекторы криогенных частиц – это сенсоры, которые работают на несколько градусов выше абсолютного нуля и используются для обнаружения фотонов и элементарных частиц.

Криогенные жидкости обычно хранятся в устройствах, называемых колбами Дьюара. Это сосуды с двойными стенками, между стенками которых имеется вакуум для изоляции. Колбы Дьюара, предназначенные для использования с очень холодными жидкостями (например, жидким гелием), имеют дополнительную изоляцию. сосуд, заполненный жидким азотом. Сосуды Дьюара названы в честь их изобретателя Джеймса Дьюара. низкий газ, чтобы выйти из контейнера, чтобы предотвратить повышение давления от кипения, которое может привести к взрыву.

Содержание

Криогенные жидкости
Использование криогеники
Криогенные дисциплины
Интересный факт о криогенике
Источники

Криогенные жидкости

Следующие жидкости чаще всего используются в криогенике:

Жидкость	Точка кипения (K)
Гелий-3	3,19
Гелий-4	4.214
Водород	20.27
Неон	27,09
Азот	77,36
Воздух	78.8
Фтор	85,24
Аргон	87,24
Кислород	90,18
Метан	111. 7

Использование криогеники

Есть несколько применений криогеники. Он используется для производства криогенного топлива для ракет, включая жидкий водород и жидкий кислород (LOX). Сильные электромагнитные поля, необходимые для ядерного магнитного резонанса (ЯМР), обычно создаются переохлаждением электромагнитов с криогенами. Магнитно-резонансная томография (МРТ) – это приложение ЯМР, в котором используется жидкий гелий. Инфракрасные камеры часто требуют криогенного охлаждения. Криогенное замораживание пищевых продуктов используется для транспортировки или хранения больших количеств пищевых продуктов. Жидкий азот используется для создания тумана для спецэффектов и даже для приготовления фирменных коктейлей и еды. Замораживание материалов с использованием криогенов может сделать их достаточно хрупкими, чтобы их можно было разбить на мелкие кусочки для вторичной переработки. Криогенные температуры используются для хранения образцов тканей и крови, а также для сохранения экспериментальных образцов. Криогенное охлаждение сверхпроводников может быть использовано для увеличения передачи электроэнергии в больших городах. Криогенная обработка используется как часть обработки некоторых сплавов и для облегчения низкотемпературных химических реакций (например, для изготовления статинов). Криомельница используется для измельчения материалов, которые могут быть слишком мягкими или эластичными для измельчения при обычных температурах. Охлаждение молекул (до сотен нанокельвинов) может быть использовано для образования экзотических состояний вещества. Лаборатория холодного атома (CAL) – это прибор, предназначенный для использования в условиях микрогравитации для формирования конденсатов Бозе-Эйнштейна (температура около 1 пико Кельвина) и проверки законов квантовой механики и других физических принципов.

Криогенные дисциплины

Криогеника – это обширная область, охватывающая несколько дисциплин, в том числе:

Крионика . Крионика – это крионирование животных и людей с целью их возрождения в будущем.

Криохирургия – это раздел хирургии, в котором криогенные температуры используются для уничтожения нежелательных или злокачественных тканей, таких как раковые клетки или родинки.

Криоэлектроника s – это исследование сверхпроводимости, прыжков с переменным диапазоном и других электронных явлений при низких температурах. Практическое применение криоэлектроники называется

Криобиология – это изучение воздействия низких температур на организмы, в том числе сохранение организмов, тканей и генетического материала с использованием

Интересный факт о криогенике

Хотя криогеника обычно включает температуру ниже точки замерзания жидкого азота, но выше абсолютного нуля, исследователи достигли температуры ниже абсолютного нуля (так называемые отрицательные температуры Кельвина). В 2013 году Ульрих Шнайдер из Мюнхенского университета (Германия) охладил газ ниже абсолютного нуля, что, как сообщается, сделало его горячее, а не холоднее!

Источники

Браун, С., Ронцхаймер, JP, Шрайбер, М., Ходжман, СС, Ром, Т., Блох, И., Шнайдер, У. (2013) «Отрицательная абсолютная температура для степеней свободы движений». Наука 339 , 52–55.
Ганц, Кэрролл (2015). Охлаждение: история . Джефферсон, Северная Каролина: McFarland & Company, Inc. стр. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
Нэш, Дж. М. (1991) “Устройства расширения вихрей для высокотемпературной криогеники”. Proc. 26-й Межобщественной конференции по инженерии преобразования энергии , Vol. 4, pp. 521–525.