低温学

物质的研究在温度更冷比那些自然发生在地球上被称为低温。在低温温度范围内,空气变得液体或者固体和生活组织立即冻结。的最低制冷温度的温度范围内,物质的运动strangely-liquids上坡运行,电流永远不要停止流动。

钢铁变得脆弱甚至北极气温以来,科学家们让他们的低温设备的铜或铝等金属。同时,硅胶橡胶代替天然橡胶,在液氮温度下玻璃一样脆弱。

最广泛应用的低温变化的液化气体。液态空气蒸馏生产纯氧,氮,霓虹灯和其他气体。这些更容易运输和处理液体、气体他们必须一直承受着巨大压力。火箭将远远重如果氢氧燃料供应气体而不是液体。不反应的液态氮是最安全的冷却剂之一。它是用来控制科学实验的温度和保存生物样本。在冷冻手术,液氮是用来杀死健康的组织通过冻结。

温度是衡量如何moving-traveling积极原子,旋转,振动。一种物质收益,它的原子移动更快。当它失去热量,他们慢下来。如果物质冷却足够远,其原子将停止移动(除了一个理论“零点运动”,是一个永久属性的物质)。在这一点上,这种物质会没有运动或精力放弃。

这最低的温度是相同的所有物质。绝对零度,它发生在-273.16°C (-459.69°F。开尔文,兰金温标使用它作为他们的零点。度开氏温标,常用在低温范围相同的度摄氏度,或摄氏,规模。度绝对华氏温标,用于航空工业,有相同的范围度华氏温标。

在阿拉斯加一个极其寒冷的冬夜,气温可能会下降到-70°F(约252 K)。低温温度范围开始无限期一点比这低得多。氧气的沸点- 90 k是在区间的高端。因为即使液体氢和氦现在商业化生产,科学家们就可以开始与液氦低温实验,沸点为4.2 K。温度低于0.001 K已经实现。一个方法的理论极限是5 10/1000000的绝对零度以上(0.0000005 K)。

尽管这样的温度似乎非常接近绝对零度,温度永远无法企及。热力学第三定律的国家这是不可能的。就像没有最大以来数量不管写的号码是多大,另一位也可以被添加到使它甚至larger-so没有最小的数。无论多么低温度达到0.001 K缩小到0.0000001 K和下面,温度更低将永远存在。

在自然条件下一种物质是置于它旁边来冷却,冷。然而,如果物质是冷比在自然界中,工作必须完成移除热量,必须提供绝缘物质冷。

低温冷却技术使用类似的能量传送的原则。首先必须引入能源系统(例如,通过压缩气体)。这就提出了一个系统的温度。多余的热能流周围地区,冷却系统原来的温度。然后系统绝缘和应做的工作(例如,允许气体膨胀,)。这个步骤使用了一些余热能源和冷却系统低于其周围环境的温度。

特殊的技术是用来达到millidegree周围温度(0.001 K)水平。这些技术利用的关系,用热力学第二定律描述之间的能量和障碍,或在一个系统熵,。根据热力学第二定律,无序的原子在一个系统可能更加有序(可以减少熵)只有在能源系统应用于系统之外的。

冷却退磁取决于这种关系。强磁场提供了外部能量的分子排列顺水晶(见磁铁和磁)。这也提高了温度。当晶体冷却回起始温度、删除和无序的分子再次安排。他们所使用的能源将来自水晶的热能,温度下降。

不同寻常的特性的氦在低温下使其他冷却方法成为可能。例如,在一定温度下液态氦命令(低熵)比固态氦,可只有在压力下形成的。如果液态氦被压缩在一个温度,它凝固。与普通物质,氦在这些特殊的温度必须吸收热量(增加其熵),导致凝固时温度下降。这种技术不需要一个磁场,这可能会干扰某些实验。

高于2.2 K液氦就像一个正常的低温液体。但温度低于氦- 4,最丰富的同位素,获得超流态。超流氦跑得快通过小孔,将正常的液体缓慢,蔑视万有引力定律,攀升的一个容器,和导热比铜更有效一千倍。

在不同低的温度下,某些金属和金属合金成为超导体。转变温度时,对于一个给定的金属,其电阻完全消失。大概,电流可以运行永远通过铝环冷却到约1 K的温度或通过铅环冷却到约7 K。有些合金更高的转变温度。

超导体的有限使用,因为他们必须与液态氦冷却,这是一个稀有和昂贵的物质。然而,在1980年代发现了一种新的高温超导材料。这些陶瓷化合物的铜氧化物和稀土元素的商业应用高温超导更为可行。许多材料的超导温度超过90 K,这可以以较低的成本实现使用液氮。

高温超导体可以减少粒子加速器的运行成本,目前使用传统超导电磁铁和需要昂贵的低温冷却技术。其他可能的应用包括输电线路和磁悬浮超高速列车。低温超导计算机元素,另一个工业应用,也可以改善高温超导体。

在实验中使用低温食品保存和液化天然气汽车的生产增加了。在医学、低温产生银行未来的组织和器官外科移植和植入;有些胚胎冷冻和储存后植入“试管婴儿”。

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