Криогенные температуры

 

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………………………………………………………………3

Розділ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ………………………………………………………………………………….5

1. Уявлення про температуру……………………………………………………………….5
2. Криогенні температури…………………………………………………………………..10
3. Історична довідка……………………………………………………………………………13

Розділ 2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗДОБУТТЯ І ЗАСТОСУВАННЯ КРИОГЕННИХ                ТЕМПЕРАТУР…………………………………………………………………………………………………………20

2.1. Методи здобуття………………………………………………………………………………..20

2.2. Області застосування…………………………………………………………………………25

ВИСНОВКИ…………………………………………………………………………………………………………….29

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ………………………………………………………………….32

 

ВСТУП

У наш час кажучи про температуру ми розуміємо це як відчуття холоду чи тепла. Можемо сказати яке з тіл холодніше чи тепліше. Але саме поняття «температура» дуже відносне. З точки зору фізики, температура (від лат. temperatura — належне змішування, нормальний стан) — фізична величина, яка описує здатність макроскопічної системи (тіла), що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, до передачі тепла іншим тілам.

Поняттям «температура» ми часто  користуємося в повсякденному житті. «Треба подивитися, скільки градусів на вулиці, щоб знати, як одягтися», - говоримо ми. Або: «Не захворів ваша дитина? Виміряйте йому температуру ». І кожен добре розуміє, що означають ці слова.

Температура пов'язана з хаотичним рухом молекул. Це знав видатний російський вчений М. В. Ломоносов. У своїй роботі «Роздуми про причину тепла і холоду» він писав:

«Дуже добре відомо, що теплота  порушується рухом: від взаємного  тертя руки зігріваються; дерево спалахує полум'ям; при ударі кременя про  кресало з'являються іскри; залізо розжарюється від проковування частими і сильними ударами, а якщо їх припинити, то теплота зменшується ... З цього всього абсолютно очевидно, що достатня підстава теплоти полягає в русі. А так як рух не може відбуватися без матерії, то необхідно, щоб достатня підстава теплоти полягало в русі якоїсь матерії.

І хоча в гарячих тілах здебільшого  на вигляд не помітно будь-якого  руху, таке все-таки дуже часто виявляється  по виробленим дій. Так, залізо, нагріте  майже до розжарювання, здається віч-на-віч перебувають у спокої, а проте одні тіла, присунуті до неї, вона плавить, інші перетворює на пар; тобто, приводячи частки їх у рух, воно тим самим показує, що і в ньому є рух якийсь матерії. Адже не можна заперечувати існування руху там, де воно не видно: хто справді буде заперечувати, що коли через ліс проноситься сильний вітер, то листя і сучки дерев колишатся, хоча при розгляданні здалеку і не видно руху. Точно так само, як тут внаслідок відстані, так і в теплих тілах внаслідок малості частинок рухається матерії рух вислизає від погляду ».

Ломоносов впритул підійшов до поняття  абсолютного нуля. Він стверджував: «... неможлива вища і остання ступінь теплоти як руху. Навпаки, те ж саме рух може настільки зменшитися, що тіло досягає нарешті стану досконалого спокою і ніяке подальше зменшення руху неможливо. Отже, за необхідності повинна існувати найбільша і остання ступінь холоду, яка повинна складатися в повному припиненні ... руху частинок ».

Саме про температури наближені  до абсолютного нуля і йде мова у моїй курсовій роботі. А точніше, про методи здобуття та застосування низьких температур.  Низькими температурами вважають температури, які знаходяться нижче точки кипіння рідкого гелію.

Методи здобуття низьких температур:

• Випаровування рідин;
• Дроселювання. Ефект Джоуля-Томсона;
• Розширення зі здійсненням зовнішньої роботи;
• Ефект Пельтьє;
• Кріостат розчинення.

Низькі температури застосовують у медицині, вивченні конденсованого стану, у ядерній фізиці, квантовій  електроніці, сприяли створенню  квантової теорії твердого тіла, також пов’язані з додатками надпровідності.

 

Розділ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ

1. Уявлення про температуру

Вже з раннього дитинства ми знайомимось  з відчуттям теплоти чи холоду і привикаємо описувати ці відчуття за допомогою таких прикметників,  як " холодний ", "прохолодний", "кімнатної температури"  і так далі. Коли ми торкаємося якогось предмету, ми використовуємо своє відчуття температури, щоб приписати предмету властивість, яка називається температурою.  Ця властивість визначає властивість , яку ми відчуваємо при торканні, - тепло чи холод. Чим гарячіший для нас предмет, тим його температура вища. Ця процедура грає ту ж саму роль в якісній фізиці, що і "оцінка на глаз" маси тіла по визваному ним відчуттю тяжкості. Та для оцінки маси предмету ми спочатку повинні прийти до поняття маси шляхом проведення якихось вимірювань за допомогою такого  прибору, як ваги. Ці дії виконуються без залучення чуттєвих відчуттів, зв’язаних з напруженими мускулами чи неприємними відчуттями, супроводжуючими різкий поштовх.  Аналогічне кількісне визначення температури передбачає попереднє проведення деяких операцій, незалежних від чуттєвого сприйняття тепла чи холоду і включаючи вимірювання яких-небудь величин. 

Температура - це досить важлива характеристика термодинамічної системи. Вона визначає ступінь нагрітості тіл і є мірою інтенсивності теплового руху.

Внутрішні параметри системи поділяються  на інтенсивні та екстенсивні. Параметри  термодинамічної системи, які не залежать від маси або числа частинок в системі, називають інтенсивними.

Температура виражає стан внутрішнього руху рівноважної системи незалежно від кількості частинок в них.

Тому температура є інтенсивним  параметром. І в цьому розумінні вона є мірою інтенсивності теплового руху.

Ексенсивні термодинамічні параметри - це параметри, які пропорційні масі або числу частинок даної термодинамічної  системи.

Їхнє значення дорівнює сумі значень  таких самих параметрів окремих  частин системи. До таких параметрів належать об’єм, енергія та інші.

Стан певних простих систем може бути визначено шляхом вимірювання  величини одної фізичної характеристики. Розглянемо, наприклад, рідину – нехай це буде ртуть або спирт, - укладену у тонкостінну колбочку, яка сполучена з вузькою трубкою,  чи капіляром як показано на рис.1.1, а. Стан цієї системи задається довжиною стовпа рідини, відлічуваної від довільно вибраної точки. Довжина L називається координатою стану. Друга проста система, показана на рис.1.1, б, являє собою тонкостінну посудину, яка містить газ. Об’єм газу залишається сталим, і координатою стану є тиск P, відлічуваний з будь-якого звичайного датчика тиску.

Рисунок 1.1. а - система, стан якої характеризується величиною L; б - система, стан якої характеризується  величиною P.

Позначимо буквою А систему, включаючу  рідину в капілярі з координатою стану L, і буквою В систему з газом при постійному об’ємі з координатою Р. Якщо систему А і В привести до теплового контакту, то їх координати стану зміняться. Однак, коли А і В розділені, зміни проходять повільніше, а якщо їх розділяє товста стінка з різних матеріалів, таких, як дерево, пластмаса, повсть, азбест, то значення відповідних координат стану L і P не залежать один від одного. Узагальнюючи такі спостереження, мі можемо постулювати наявність деякого ідеального поділяючого середовища,  названого  адіабатичною стінкою. Коли адіабатична стінка використовується для поділу двох систем, координати їх стану можуть змінюватися незалежно в широких межах. Звичайно, адіабатична стінка є деяким ідеалом, який не може бути в точності здійснений, але до якого можна достатньо близько підійти. На рис.1.2, а вона зображена у вигляді широкої області з косою штриховкою.

Рис.1.2. 1Система А, являє собою стовп рідини, і система В - газ при постійному об’ємі - розділені адіабатичною стінкою (а) і діатермічною стінкою (б) В цьому ж випадку, коли А і В знаходяться у доброму тепловому контакті чи розділені тонкою металевою перегородкою, їх координати стану змінюються. Стінка, через яку система може впливати на другу, називається діатермічною. Наприклад, тонкий мідний лист являє собою найбільш часто зустрічається на практиці діатермічну стінку. На рис.1.2, б діатермічна стінка зображена у вигляді тонко закресленої області. Коли системи А і В доторкаються через діатермічну стінку, їх координати L і P змінюються до деяких значень. Якщо дві деякі системи поділені діатермічною стінкою, то спільний для обох систем стан, який наступає після встановлення нових значень координат, називається термічною рівновагою.

Уявимо собі дві системи А  і В, розділені адіабатичною стінкою, але нехай кожна з них знаходиться  у контакті з третьою системою С через діатермічну стінку. Нехай також усі три системи укладені в адіабатичну оболонку, як показано на рис.1.3, а. Експеримент показує, що перші дві системи приходять до термічної рівноваги з третьою і що ніяких змін після цього вже не відбувається, якщо адіабатичну стінку, поділяючу А і В, замінити діатермічною рис.1.3, б. Якщо замість цього, щоб дозволити обом системам А і В одночасно приходити у стан рівноваги з системою С, ми спочатку встановим рівновагу між А і С, а потім між В і С і якщо при цьому в обох випадках стан системи С буде однаковим, то при приведенні в контакт систем А і В через діатермічну стінку виявиться, що вони знаходяться в термічній рівновазі.

Ці експериментальні факти можуть бути коротко сформульовані в  наступному вигляді: дві системи, знаходяться у термічній рівновазі з третьою, знаходяться у рівновазі між собою. Слідуючи Р.Х. Фаулеру, ми будемо називати цей постулат нульовим законом термодинаміки. З першого погляду може здатися, що нульовий закон очевидний, але це не так. Шматок бурштину А, який потерли шерстю, буде притягувати нейтральну кульку бузини С. так само буде вести себе і другий шматок бурштину В, але два шматка бурштину не будуть притягуватися один до одного.

Коли дві системи А і В  вперше приводяться в контакт  через діатермічну стінку, вони можуть бути чи не бути в тепловій рівновазі. Виникає питання: яка ж причина  визначає, чи знаходяться вони в  тепловій рівновазі чи ні? Експеримент показує, що ні маса, ні густина, ні модуль пружності, ні електричний заряд, ні магнітний стан – фактично ні одна з величин, істотних в механіці, електриці та магнетизмі, - не грають тут визначальної ролі. Звідси ми робимо висновок, що існує нова властивість, яке називається температура. Саме температура системи являється тою властивістю, яка визначає, чи буде ця система знаходитись у термічній рівновазі з іншими системами. Коли дві чи більше систем знаходяться в термічній рівновазі, то говорять, що вони мають однакову температуру.

 

Рис.1.3. 1Нульовий закон термодинаміки.

Температура всіх систем, які знаходяться  в термічній рівновазі, може бути виражена деяким числом. Встановлення температурної шкали – це просто поняття ряду правил приписування числових значень температурам. Після цього єдиною умовою наявності термічної рівноваги між двома системами є рівність їх температур. І навпаки, якщо температури різняться, мі можемо бути впевнені, що системи не знаходяться в термічній рівновазі.

У попередньому наглядному описі поняття  температури підкреслювалася та фундаментальна ідея, що температура  системи є величиною, яка набуває  однакове значення для всіх систем, коли вони приведені у контакт  чи розділені тонкими металічними  стінками всередині об’єму з товстими стінками із азбесту. Таке поняття про  температуру достатньо ідентично  сприйманому на основі життєвого  досвіду уявленню про температуру  як про міру «нагрітості»  системи. Справді, з тою самою точністю, з якою ми можемо покладатися на наші відчуття, ми знаємо, що степінь нагріву всіх тіл стає однаковою, якщо вони достатньо довгий час були разом. На цій основі потрібно поговорити про прилад, яким можна було б виміряти температуру.

 

2. Криогенні температури

Криогенні  температури -  зазвичай температури, що лежать нижче точки кипіння рідкого повітря (близько 80К). Згідно рекомендації, прийнятої 13-м конгресом Міжнародного  інституту холоду (1971), криогенними температурами слід називати температури нижче 120 К.

           Для отримання та підтримання низьких температур зазвичай використовують зріджені гази (холодоагенти). У посудині Дьюара, що містить скраплений газ, що випаровується під атмосферним тиском, досить добре підтримується постійна температуpa Тн кипіння холодоагента. Практично застосовують наступні холодоагенти: повітря (Тн »80 К), азот (Tн = 77,4 К), неон (Tн = 27,1 К), водень (Tн = 20,4 К), гелій (Тн = 4,2 К). Для отримання рідких газів служать спеціальні установки – «скраплювачі», в яких брало сильно стиснутий газ при розширенні до звичайного тиску охолоджується і конденсується.

Відкачуючи випаровується газ  з герметичної посудини, можна зменшувати тиск над рідиною і тим самим знижувати температуру її кипіння. Природно або примусово конвекція і добра теплопровідність холодоагенту забезпечують при цьому однорідність температури в усьому об'ємі рідини. Таким шляхом вдається перекрити широкий діапазон температур від 77 до 63 К за допомогою рідкого азоту, від 27 до 24 К - рідкого неону, від 20 до 14 К - рідкого водню, від 4,2 до 1 К - рідкого гелію. Методом відкачування можна отримати температуру нижче потрійної точки холодоагенту. При більш низьких температурах речовина твердне і втрачає свої якості холодоагенту. Проміжні температури, що лежать між зазначеними вище інтервалами, досягаються спеціальними методами. Охолоджуваний об'єкт теплоізолюють  від холодоагенту, поміщаючи його, наприклад,  всередину вакуумної камери, зануреної у зріджений газ. При невеликому контрольованому виділенні теплоти в камері (в ній є електричний  нагрівач) температура досліджуваного об'єкта підвищується в порівнянні з температурою кипіння холодоагенту і може підтримуватися з високою стабільністю на необхідному рівні. У іншому способі отримання проміжних температур охолоджуваний зразок поміщають над поверхнею випаровується холодоагента і регулюють швидкість випаровування рідини нагрівачем. Відведення теплоти від досліджуваного об'єкта тут здійснює потік випаровуючого  газу. Застосовується також метод охолодження, при якому холодний газ, одержуваний при випаровуванні холодоагенту, проходить через теплообмінник, що знаходиться в тепловому контакті з охолоджуваним об'єктом.