Сжижение газов

        Турбодетандеры применяются главным  образом в установках с холодильным  циклом низкого давления 0,4-0,8 Мн/м² (4-8 кгс/см²) для объёмных (физических) расходов газа 40-4000 м³/ч. Созданы турбодетандеры для холодильных циклов низкого, среднего и высокого давлений с объёмными расходами газа 1,5-40 м³/ч. Эти машины характеризуются малыми размерами (диаметр рабочего колеса 10-40 мм) и высокой частотой вращения ротора (100000-500000 об/мин).

      Адиабатный  процесс

      Адиабатный  процесс - процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. Адиабатный процесс можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого адиабатного процесса - рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

      Адиабатный  процесс можно реализовать и  при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать  настолько быстро, чтобы за время  процесса не произошло теплообмена  между системой и окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1 км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700 С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов Адиабатный процесс размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсоллютному нулю.

      Адиабатные  процессы могут протекать обратимо и необратимо. В случае обратимого адиабатного процесса энтропия системы  остаётся постоянной. Поэтому обратимый адиабатный процесс  называют ещё изоэнтропийным. На диаграмме состояния системы он изображается кривой, называемой адиабатой, или изоэнтропой. В необратимых адиабатных процессах энтропия возрастает.

      Низкие  температуры

      Низкие  температуры - криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие температуры принято отсчитывать от абсолютного нуля температуры (-273,15 С, или 0 К) и выражать в кельвинах (К).

      На 13-м конгрессе Международного института  холода в 1971 была принята рекомендация, согласно которой криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 К. Однако эта рекомендация ещё не получила широкого распространения; в данной статье рассматриваются низкие температуры границей ~ 80 К.

      Получение низких температур. Для получения и поддержания низких температур  обычно используют сжиженные газы. В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением, достаточно хорошо поддерживается постоянная температура нормального кипения T_n хладоагента. Практически применяют следующие хладоагенты (сжиженные газы): воздух (T_N = 80 К), азот (T_n = 77,4 К), неон (T_N = 27,1 К), водород (T_N = 20,4 К), гелий (T_N = 4,2 К). Для получения жидких газов служат специальные установки - ожижители, в которых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется. Сжиженные газы могут сохраняться достаточно долго в сосудах Дьюара и криостатах с хорошей теплоизоляцией (порошковые и пористые теплоизоляторы, например пенопласты).

      Откачивая испаряющийся газ из герметизированного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым  понижать температуру её кипения. Т. о., изменением давления паров над  кипящей жидкостью можно регулировать ёё температуру. Естественная или принудительная конвекция и хорошая теплопроводность хладоагента обеспечивают при этом однородность температуры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон температур: от 77 К до 63 К с помощью жидкого азота, от 27 К до 24 К - жидкого неона, от 20 К до 14 К - жидкого водорода, от 4,2 К до 1 К - жидкого гелия.

      Методом откачки нельзя получить температуру  ниже тройной точки хладоагента. При более низких температурах вещество затвердевает и теряет свои качества хладоагента. Промежуточные температуры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются в специальных криостатах. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладоагента, например, помещают его внутрь вакуумной камеры, погруженной в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрический нагреватель) температура исследуемого объекта повышается по сравнению с температурой кипения хладоагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне.

        В др. способе получения промежуточных температур охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладоагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток откачиваемого газа. Применяется также метод охлаждения, при котором холодный газ, получаемый при испарении хладоагента, прогоняется через теплообменник (обычно медная трубка, свитая в спираль, или блок пористой меди), находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.

      Гелий при атмосферном давлении остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Однако при откачке паров жидкого ⁴He обычно не удаётся получить температуру существенно ниже 1 К даже с помощью очень мощных насосов (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных паров ⁴He и его сверхтекучесть). Поэтому для достижения температур порядка десятых долей Кельвина употребляют изотоп гелия ³He (T_n = 3,2 К), который не является сверхтекучим при данных температурах. Откачивая испаряющийся ³He, удаётся понизить температуру жидкости до 0,3 К.

        Область температур ниже 0,3 К принято  называть сверхнизкими температурами. Для получения таких температур применяются различные методы.

      Методом адиабатического размагничивания (магнитного охлаждения) с применением парамагнитной  соли в качестве охлаждающей системы удаётся достичь Н. т. ~ 10^-3 К. Тем же методом с использованием парамагнетизма атомных ядер были достигнуты Н. т. ~ 10^-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатического размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения низких температур) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, который охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких температур, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удаётся.

      Для получения температур порядка нескольких мК теперь широко пользуются более удобным методом - растворением жидкого ³He в жидком ⁴He. Применяемая для этой цели установка называется рефрижератором растворения. Действие рефрижераторов растворения основано на том, что ³He сохраняет конечную растворимость (около 6%) в жидком ⁴He вплоть до абсолютного нуля температуры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого ³He с разбавленным раствором ³He в ⁴He атомы ³He будут переходить в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов ³He из раствора путём откачки - в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции ³He, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения температуру ~ 10-30 мК. неограниченно долго. Холодопроизводительность таких рефрижераторов определяется производительностью насосов, а предельно достижимая низкая температурыа (несколько мК) - эффективностью теплообменников и устранением паразитного притока теплоты.

        Гелий ³He можно охладить ещё сильнее, используя эффект Померанчука. Жидкий ³He затвердевает при давлениях более 30 бар. В области температур ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 34 бар) сопровождается поглощением теплоты и понижением температуры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Таким путём были достигнуты температуры ~1-2 мК

      Измерение низких температур

      Первичным термометрическим прибором для измерения  термодинамической температуры  вплоть до 1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи. Первичные прецезионные термометры используются в основном для определения температур легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68). В области низких температур такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13, 81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы (17,042 К), точка кипения T_N равновесного водорода (20,28 К), T_N неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К), T_N кислорода (90,188 К).

      Для воспроизведения любого значения температуры  от 630,74 градусовС до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~ 0,001 К служит платиновый термометр сопротивления. В диапазоне  низких температур температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01 К.

      МПТШ-68, пока не продлена ниже 13,8 К, ввиду отсутствия в этой области низких температур вторичного термометра, не уступающего  по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах. В диапазоне 0,3-5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров p_s гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5-5,2 К (шкала ⁴He, 1958) и 0,3-3,3 К (шкала ³He, 1962). Зависимость p_s (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

      В области низких температур для целей  практической термометрии применяют  главным образом термометры сопротивления (до 20 К - медный; в области водородных и гелиевых температур - вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

      Существует  ряд др. чувствительных к изменениям температуры устройств, которые  могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения  низких температур: термопары, термисторы, полупроводниковые диоды, датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

      Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения  термодинамической температуры  в этой области используют магнитные и ядерные методы. В магнитной термометрии пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости c парамагнитной соли. Согласно закону Кюри, при достаточно высоких температурах c ~ 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости.

        Для получения точных результатов  необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК.

        В основе ядерных методов измерения  низких температур лежит принцип  квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса, определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В др. методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения  во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.