Сжижение газов

      Аналогом  термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне 30-100 мК по осмотическому давлению 3He в смеси 3He - 4He. Абсолютная точность измерений - около 2 мК при чувствительности осмотического термометра 0,01 мК.

      Криогенная  техника

      Криогенная техника, техника получения и использования криогенных температур, т. е. температур ниже 120 К.

      Основные  проблемы, решаемые криогенной техникой сжижение газов (азота, кислорода, гелия  и др.), их хранение и транспорт  в жидком состоянии; разделение газовых смесей и изотопов низкотемпературными методами (например, промышленное получение чистых азота, кислорода и аргона из воздуха: выделение дейтерия ректификацией жидкого водорода и т. д.); конструирование криорефрижераторов - холодильных машин, создающих и поддерживающих температуру ниже 120 К; охлаждение и термостатирование при криогенных температурах сверхпроводящих и электротехнических устройств (магнитов, соленоидов, трансформаторов, электрических машин и кабелей, узлов ЭВМ, гироскопов и т. п.), электронных приборов (квантовых усилителей и генераторов, приёмников инфракрасного излучения и т. д.), биологических объектов; разработка аппаратуры и оборудования для проведения научных исследований при криогенных температурах (криостатов, пузырьковых камер и др.).

      Применение  криогенных температур в ряде областей науки и техники привело к  возникновению целых самостоятельных  направлений криогенной техники, например криоэлектроники, криобиологии.

      Физика  низких температур

      Применение  низких температур сыграло решающую роль в изучении конденсированного состояния. Особенно много новых и принципиальных фактов и закономерностей было открыто при изучении свойств различных веществ при гелиевых температурах. Это привело к развитию специального раздела физики - физики низких температур. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при низких температурах, могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики.

      В частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из него существование нулевых колебаний  при абсолютном нуле температуры  объясняют тот факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до 0. Наиболее ярко квантовые закономерности проявляются при низких температурах в явлениях сверхтекучести и сверхпроводимости. Изучение этих явлений составляет важную часть физики низких температур.

        С 60-х гг. 20 в. открыт ряд интересных эффектов, в которых особое значение имеет пространственная когерентность волновых функций на макроскопических расстояниях (сверхпроводящее туннелирование, эффект Джозефсона).

        Большое значение имеет изучение  свойств жидкого ³He, который представляет собой пример нейтральной квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при температурах около 3 мК и давлении около 34 бар ³He претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее состояние).

      Развитие  физики низких температур в значительной степени способствовало созданию квантовой  теории твёрдого тела, в частности  общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при  низких температурах может рассматриваться  как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К, и газа элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение различных типов квазичастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при низких температурах.

      Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии). Изучение теплоёмкости, теплопроводности и др. тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при низких температурах даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и др. квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики низких температур.

      Ослабление  тепловых колебаний решётки при  гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах. Применение низких температур играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса.

      Охлаждение  до сверхнизких температур применяется  в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности. Низкие температуры применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих др. случаях.

      Технические приложения низких температур.

      В химической промышленности холод используют при производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов и т.д.

      В нефтеперерабатывающей промышленности холод необходим при производстве высокооктановых бензинов, некоторых  сортов смазочных масел и др.

        Рост потребления искусственного  холода имеет место и в газовой промышленности, например для сжижения природного газа, а также для извлечения из него в процессе первичной переработки легкоконденсирующихся фракций. Холодильные установки для химической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности часто достигают большой мощности (несколько Мвт) и вырабатывают холод в пределах очень широкого диапазона температур.

      Искусственное охлаждение применяется и в машиностроении (например, для холодной посадки  деталей), строительстве (замораживание  грунтов), медицине, при сооружении искусственных катков круглогодичной эксплуатации, для опреснения морской воды и т.д.

      Одна  из главных областей применения низких температур в технике - разделение газов. Производство кислорода и азота  в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Применение жидких кислорода и азота многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе.

        Низкие температуры используют  для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладоагентом. Высокий вакуум и охлаждение до низких температур позволяют имитировать условия, характерные для космического пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих условиях.

      Охлаждение  до температур жидкого воздуха или  азота начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные  производить локальное замораживание тканей до низких температур, осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и др. заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при низких температурах.

      Др. направление технических применений низких температур связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (~ 103 кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (пузырьковых камер и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований.

      На  основе явления сверхпроводящего туннелирования разработаны сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, способные измерять чрезвычайно слабые электрические напряжения (~ 10^-14 в), а также регистрировать очень малые изменения магнитного поля (~ 10^-11 э). Н. т. играют также большую роль в квантовой электронике.

      Каскадный метод охлаждения

      Каскадный метод охлаждения - процесс переноса тепла от более низкого температурного уровня к более высокому (т. е. охлаждение), осуществляющийся в холодильной установке с помощью нескольких замкнутых последовательно действующих холодильных циклов. При каскадном методе охлаждения, относящемся к методам глубокого охлаждения, конденсация холодильного агента низкотемпературного цикла происходит в результате испарения холодильного агента следующего за ним более высокого по температуре холодильного цикла. Число циклов, как правило, не превышает 4, т.к. в противном случае конструкция установки значительно усложняется. Холодильные циклы могут использовать одинаковые или различные термодинамические принципы переноса тепла в циклах и различные холодильные агенты.

      В конце 19 в. швейцарский физик Р. Пикте  применил каскадный метод охлаждения для сжижения воздуха. Сконструированная  им каскадная холодильная установка включала 3 холодильных цикла. В первом высокотемпературном двухступенчатом цикле в качестве рабочего тела применялся хлористый метил (CH₃Cl), в среднем цикле - этилен (C₂H₄), в третьем цикле - кислород (O₂). В дальнейшем каскадный метод охлаждения был усовершенствован и использовался для получения жидких водорода и гелия

      Каскадный метод охлаждения применяют главным  образом для получения температур до -110 градусов С в испытательных термокамерах и для технологических целей в химии, медицине, биологии и др.

      Наибольшее  распространение получил каскадный  метод охлаждения с двумя парокомпрессионными  циклами. В высокотемпературном  цикле в качестве холодильного агента, обычно используется фреон 22 (CHClF₂), а в низкотемпературном - фреон 13 (CF₃Cl). Для получения температуры до -90 градусов С низкотемпературный цикл на фреоне 13 одноступенчатый, для температур ниже -90 градусов С - двухступенчатый. Перенос тепла от низкотемпературного цикла к высокотемпературному осуществляется в теплообменном аппарате (испарителе - конденсаторе) в результате конденсации низкотемпературного холодильного агента и кипения высокотемпературного холодильного агента. Пути совершенствования каскадного метода охлаждения  -использование более эффективных холодильных агентов, улучшение конструкции компрессоров, повышение эффективности теплообменной аппаратуры.

      ЛИТЕРАТУРА:

1. Фастовский  В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М., 1974;
2. Справочник по физико-техническим основам криогеники, 2 изд., М., 1973.
3. А. Б. Фрадков.
4. Физика низких температур, пер. с англ. под общ. ред. А. И. Шальникова, М., 1959;
5. Уайт Г. К., Экспериментальная техника в физике низких температур, пер. с англ., М., 1961;
6. Земанский М., Температуры очень низкие и очень высокие, пер. с англ., М., 1968;
7. Роуз-Инс А., Техника низкотемпературного эксперимента, пер. с англ., М., 1966; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971;
8. Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971;
9. Пегаков В. П., Свойства He³ и его растворов в He⁴, "Успехи физических наук", 1968, т. 94, в. 4, с. 607;
10. Справочник по физикотехническим основам криогеники, под общ. ред. М. П. Малкова, 2 изд., М;, 1973;
11. Клод Ж., Жидкий воздух, пер. с франц., Л., 1960;
12. Герш С. Я., Глубокое охлаждение, 3 изд., ч. 1—2, М.—Л., 1957—60;
13. Новые направления криогенной техники, пер. с англ., М., 1986;