Низкие температуры. Методы получения низких температур

Криогенными температурами называются температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (ниже 80 К). На 13 конгрессе Международного института холода было принято решение считать низкими температурами температуры ниже 120 К. Сверхнизкими температурами называются температуры ниже 0,3 К. При низких температурах молекулярные движения в большей степени ослаблены, поэтому свойства веществ при таких температурах представляют большой интерес. Низкие температуры используют для разделения газа; для получения высокого вакуума; в медицине; для подавления шумов; в физике сверхпроводников; для сжижения газов.

Для получения и поддержания низких температур используют сжиженные газы. Необходимым условием переведения газа в жидкое состояние является его охлаждение до температуры ниже критической. Для хранения сжиженного газа используют сосуды Дьюара. В сосуде Дьюара сжиженный газ кипит и поддерживается при постоянной температуре.

Для охлаждения газа можно использовать адиабатическое расширение и эффект Джоуля – Томсона, кроме того, для получения более низких температур используют другие методы, например, метод адиабатического размагничивания и метод растворения жидкого в жидком.

Компрессор

Детандер

Дроссельный вентиль

Одной из первых машин для получения низких температур была машина Линде. Машина Линде изображена на рисунке. Воздух поступает в компрессор, где он сжимается до 200 атм. После этого он проходит через змеевик 1, который омывается проточной водой и охлаждается до первоначальной температуры. После этого он проходит через второй змеевик; дальше проходит через дроссельный вентиль, расширяясь до давления 1 атм, и охлаждается; далее проходит через третий змеевик, где охлаждает газ, проходящий через второй змеевик. Такой способ охлаждения называется методом противоточного теплообмена.

Кроме дросселирования для охлаждения газа используют так же метод адиабатного расширения в детандерах (метод Клода). Детанндеры – это устройство, где газ подвергается адиабатному расширению. Метод охлаждения при адиабатном расширении с совершением внешней работы является более эффективным. Схема машины Клода (построенной в 1902 году) приведена на рисунке: Газ подвергается изотермическому сжатию в компрессоре, откуда поступает в теплообменник 1, в котором он разделяется на два потока. Один (80%) подвергается адиабатическому расширению в детандере, второй через теплообменник 2 подвергается дросселированию, затем он поступает в теплообменник 2, где охлаждает встречную порцию, газа, затем он соединяется с газом из детандера и поступает в теплообменник 2, где иохлаждает встречную порцию газа.

	77,32 К	90,12 К	20,39 К	4,21 К
	63,14 К	54,36 К	19,04 К	-
	0,8 г/см³	1,15 г/см³	0,071 г/см³	0,125 г/см³
	1,026 г/см³	1,425 г/см³	0,08 г/см³	-

Как видно из таблицы, сжиженный газ позволяет получать температуры: от 63,14 К до 77,32 К; от 54,36 К до 90,12 К; от 19,04 К до 20,39 К; от 0,7 К до 4,21 К.

M

N

Устройство, служащее для проведения исследований в этих температурных интервалах, называется криостатом. Схема простейшего криостата приведена на рисунке.

Внутренний сосуд Дьюара наполняется жидким гелием. Внешний наполняется жидким азотом. Трубка N служит для откачки паров гелия, трубка M отводится к манометру. Исследуемое тело помещается в гелий и крепится к крышке плохопроводящей тепло трубочкой.

С помощью кипящего жидкого гелия можно получать температуры, вплоть до 1 К (0,69 К). Дальнейшее понижение температуры требует других методов.

Метод адиабатического размагничивания. Если адиабатически размагнитить парамагнетик, то энтропия, связанная с магнитной энергией увеличивается, а энтропия связанная с тепловой энергией уменьшается, то есть образец охлаждается.

Для измерения низких температур до 1 К используют газовые термометры, при температурах ниже 1 К применяют акустический и шумовой термометры, которые основаны на зависимости скорости звука от температуры.

Дата добавления: 2014-01-04