Криогенные температуры

Дроселювання. Ефект Джоуля-Томсона.

Дроселювання (від нім. Drosseln - душити) - пониження тиску газу або пари при протіканні через звуження прохідного каналу трубопроводу - дросель, або  через пористу перегородку.

Дроселювання є близьким до ідеального здійсненням процесу Джоуля-Томсона. Дроселювання можна розглядати як ізоентальпійний  квазіврівноважений процес і проводити, ґрунтуючись на вираженні диференціального ефекту Джоуля-Томсона, інтегрування наступним чином: — інтегральний ефект Джоуля-Томсона.

Процес дроселювання не квазістатичний, врівноважений тільки початковий і кінцевий, але не проміжні стани. Розгляд процесу дроселювання як квазістатичного можливо тільки тому, що шлях переходу з початкового стану в кінцеве тут не важливий, і можна замінити його деякої теоретичної квазістатичного абстракцією.

При дроселюванні відбувається адіабатне  розширення від тиску P1 до P2 тиску  без здійснення роботи, тобто дроселювання - істотно незворотний процес, що супроводжується збільшенням ентропії і обсягу при постійній ентальпії.

Ефект дроселювання застосовується в  промисловості в витратомірах змінного тиску, в яких витрата газу або пари вимірюється по перепаду тиску P1 - P2 перед і після звуження прохідного каналу (діафрагма чи сопло в трубі Вентурі) трубопроводу.

Дроселювання застосовується в  компресійних холодильниках як засіб  забезпечення перепаду тиску для випаровування зрідженого холодоагенту.

Ефектом Джоуля - Томсона називається  зміна температури газу при адіабатичному дроселюванні - повільному протіканні газу під дією постійного перепаду тисків крізь дросель (пористу перегородку). Даний ефект є одним з методів отримання низьких температур.

Зміна енергії газу в ході цього  процесу буде дорівнює роботі: . Отже, з визначення ентальпії ( ) випливає, що процес ізоентальпійний.

Зміна температури при малій  зміні тиску (диференційний ефект) в результаті процесу Джоуля - Томсона визначається похідною , званої коефіцієнтом Джоуля - Томсона. За допомогою елементарних перетворень можна отримати вираз для цього коефіцієнта: де - теплоємність при постійному тиску. Для ідеального газу , а для реального газу він визначається рівнянням стану.

Якщо при протіканні газу через  пористу перегородку температура  зростає ( ), то ефект називають негативним, і навпаки, якщо температура убуває ( ), то процес називають позитивним. Температуру, при якій змінює знак, називають температурою інверсії.

Розширення зі здійсненням зовнішньої роботи

Можна охолоджувати газ, використовуючи детандер - пристрій для додаткового охолодження газу шляхом його випуску під тиском в циліндр з поршнем, що переміщається із зусиллям. При цьому газ здійснює роботу і охолоджується. Використовується в циклі отримання рідкого гелію.

Якщо замість поршня використовувати  турбіну - вийде турбодетандером, принцип  дії якого аналогічний.

Детандер (від франц. Détendre - послаблювати) - пристрій, що перетворює потенційну енергію  газу в механічну енергію. При  цьому газ, здійснюючи роботу, охолоджується. Використовується в циклі отримання рідких газів, таких як повітря і гелій. Найбільш поширені поршневі детандери і турбодетандером.

Основне застосування турбодетандером  знайшли в технологічних процесах отримання рідкого водню (рідкий водень), кисню, повітря, азоту та інших кріогенних газів. Однак сьогодні турбодетандером починають застосовуватися в процесах утилізації надлишкової «дармовий» енергії дросселіруемого природного газу на ГРС та ГРП при розподілі газу, що транспортується по магістральних газопроводах. Великі перспективи застосування турбодетандерів в технологічних процесах виробництв із застосування пара в якості основного енергоносія (нафтопереробні та хімічні заводи), а так само на газових і нафтових промислах.

Ефект Пельтьє

Ефект Пельтьє використовують в термоелектричних охолоджуючих пристроях. Він заснований на зниженні температури спаїв напівпровідників при проходженні через них постійного електричного струму. Величина виділяється тепла і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу проходження струму, тобто кількість виробленого тепла пропорційно кількості пройшов через контакт заряду.

Ефект Пельтьє - термоелектричне явище, при якому відбувається виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників. Величина виділяється тепла і його знак залежать від виду контактуючих речовин, напряму і сили протікає електричного струму: Q = П_АBI = (П_B-П_А) I, де

Q - кількість виділеного чи поглинутого  тепла;

I - сила струму;

П - коефіцієнт Пельтьє, який пов'язаний з коефіцієнтом термо-ЕРС α співвідношенням Томсона П = αT, де Т - абсолютна температура в K.

Ефект відкритий Ж. Пельтьє в 1834 році, суть явища досліджував кількома роками пізніше - в 1838 році Ленц, який провів експеримент, в якому він помістив краплю води у поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту і сурми. При пропущенні електричного струму в одному напрямі крапля перетворювалася на лід, при зміні напрямку струму - лід танув, що дозволило встановити, що залежно від напрямку протікає в експерименті струму, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтье. Ефект Пельтье «обернений» ефекту Зеєбека.

Ефект Пельтье більш помітний у  напівпровідників, ця властивість використовується в елементах Пельтье.

Причина виникнення явища Пельтье  полягає в наступному. На контакті двох речовин є контактна різниця  потенціалів, яка створює внутрішнє  контактне поле. Якщо через контакт  протікає електричний струм, то це поле буде або сприяти проходженню  струму, або перешкоджати. Якщо струм  йде проти контактного поля, то зовнішнє джерело повинен витратити додаткову енергію, яка виділяється в контакті, що призведе до його нагрівання. Якщо ж струм йде у напрямку контактного поля, то він може підтримуватися цим полем, яке і здійснює роботу з переміщення зарядів. Необхідна для цього енергія відбирається у речовини, що призводить до охолодження його в місці контакту.

Кріостат розчинення

У процесі охолодження використовується суміш двох ізотопів гелію: 3He і 4He. При  охолодженні нижче 700 мК, суміш відчуває мимовільне розділення фаз, утворюючи  фази багату 3He і багату 4He. Суміш 3He / 4He скраплюється в конденсаторі, який приєднаний через дросель до області багатою 3He змішувальної камери. Атоми 3He, проходячи через межу розділу фаз, відбирають енергію у системи. Рефрижератори розчинення з безперервним циклом зазвичай використовуються в низькотемпературних фізичних експериментах.

Рефрижератор розчинення - кріогенний пристрій, вперше запропоноване Хаєнцем Лондоном. У процесі охолодження використовується суміш двох ізотопів гелію: 3He і 4He. При охолодженні нижче 700 мК суміш відчуває мимовільне розділення фаз, утворюючи фази багату 3He і багату 4He.

Як і при охолодженні випаровуванням, для переносу атомів 3He з фази багатою 3He в фазу багату 4He потрібна енергія. Якщо змусити атоми 3He безперервно перетинати кордон розділу фаз, суміш буде ефективно прохолоджуватися. Оскільки фаза багата 4He не може містити менше ніж 6% 3He навіть при абсолютному нулі температури в рівновазі, рефрижератор розчинення може бути ефективним при дуже низьких температурах. Ємкість, в якій відбувається цей процес називається камера змішувача.

Найбільш просте застосування - «одноразовий»  рефрижератор розчинення. В одноразовому режимі великий обсяг 3He поступово переміщується через межу розділу фаз в фазу, багату 4He. Коли весь запас 3He виявляється у фазі, багатою 4He, рефрижератор не може продовжувати роботу.

Набагато частіше рефрижератори  розчинення працюють в безперервному  циклі. Суміш 3He / 4He зріджується в конденсаторі, який приєднаний через дросель до області багатою 3He змішувальної камери. Атоми 3He, проходячи через межу розділу фаз, відбирають енергію у системи. Далі слід розрізняти рефрижератори розчинення з зовнішньої і з внутрішньої відкачкою. У першому випадку пари 3He відкачується Високовакуумні насосом (турбомолекулярним або дифузійним). У другому - сорібційним насосом. Рефрижератори розчинення із зовнішнім відкачуванням забезпечують більшу холодопродуктивність, однак потребують більшої кількості 3He. Відкоченим 3He, іноді очищений, повертається в конденсор.

Рефрижератори розчинення з безперервним циклом зазвичай використовуються в низькотемпературних фізичних експериментах. Найкращі системи досягають температур нижче 2 мК.

2.2.  Області застосування

Застосування низьких температур зіграло вирішальну роль у вивченні конденсованого стану. Особливо багато нових і принципових фактів і закономірностей було відкрито при вивченні властивостей різних речовин при гелієвих температурах. Це призвело до розвитку спеціального розділу фізики «Низькі температури». При зниженні температури у властивостях речовин починають проявлятися особливості, пов'язані з наявністю взаємодій, які за звичайних температурах придушуються сильним тепловим рухом атомів. Нові закономірності, виявлені при Низькі температури, можуть бути послідовно пояснені тільки на основі квантової механіки. Зокрема, принцип невизначеності квантової механіки і що з нього існування нульових коливань при абсолютному нулі температури пояснюють той факт, що гелій залишається в рідкому стані аж до 0 К. Найбільш яскраво квантові закономірності виявляються при низьких температурах в явищах надтекучості і надпровідності. Вивчення цих явищ становить важливу частину фізики «Низькі температури». З 60-х років 20 століття відкрито ряд цікавих ефектів, в яких особливе значення має просторова когерентність хвильових функцій на макроскопічних відстанях (надпровідний тунелювання, Джозефсона ефект). Велике значення має вивчення властивостей рідкого 3He, який являє собою приклад нейтральної квантової фермі-рідини. Як тепер з'ясовано, при температурах близько 3 мК і тиску близько 34 бар 3He зазнає фазове перетворення, що супроводжується значним зменшенням в'язкості (переходить в надплинний стан).

  Розвиток фізики «Низькі  температури» в значній мірі  сприяло створення квантової  теорії твердого тіла, зокрема  загальної теоретичної схеми,  за якою стан речовини при  низьких температурах може розглядатися  як суперпозиція ідеально впорядкованого  стану, відповідного 0 До, і газу  елементарних збуджень - квазічастинок. Введення різних типів квазічастинок (фонони, дірки, магнони та ін) дозволяє описати різноманіття властивостей речовин при низьких температурах. Термодинамічні властивості газу елементарних збуджень визначають спостережувані макроскопічні рівноважні властивості речовини. У свою чергу, методи статистичної фізики дозволяють передбачити властивості газу збуджень з характеру зв'язку енергії та імпульсу квазічастинок (закону дисперсії). Вивчення теплоємності, теплопровідності і інших теплових і кінетичних властивостей твердих тіл при низьких температурах дає можливість встановити закон дисперсії для фононів і інших квазічастинок. Температурна залежність намагніченості феро- і антиферомагнетиків пояснюється в рамках закону дисперсії магнонов (спінових хвиль). Вивчення закону дисперсії електронів в металах становить ще один важливий розділ фізики Низькі температури Ослаблення теплових коливань решітки при гелієвих температурах і застосування чистих речовин дозволили з'ясувати особливості поведінки електронів в металах. Застосування низьких температур грає велику роль при вивченні різних видів магнітного резонансу.

  Охолодження до наднизьких  температур застосовується в  ядерній фізиці для створення  мішеней і джерел з поляризованими  ядрами при вивченні анізотропії розсіяння елементарних частинок. Такі джерела дозволили, зокрема, поставити вирішальні експерименти з проблеми незбереження парності. Низькі температури застосовуються при вивченні напівпровідників, оптичних властивостей молекулярних кристалів і в багатьох інших випадках.

  Одна з головних областей  застосування низьких температур  в техніці - поділ газів. Виробництво кисню та азоту у великих кількостях засноване на зріджуванні повітря з наступним поділом його в ректифікаційних колонах на азот і кисень. Застосування рідких кисню та азоту різноманітне, зокрема кисень служить окислювачем в ракетному паливі. Низькі температури використовують для отримання високого вакууму методом адсорбції на активованому вугіллі або цеоліті (адсорбційний насос) або безпосередньої конденсації на металевих стінках посудини з холодоагентом. Високий вакуум і охолодження до низької температури дозволяють імітувати умови, характерні для космічного простору, і проводити випробування матеріалів і приладів в цих умовах. Охолодження до температур рідкого повітря або азоту початок знаходити важливі застосування в медицині. Використовуючи прилади, здатні виробляти локальне заморожування тканин до низьких температур, здійснюють оперативне лікування мозкових пухлин, урологічних та інших захворювань. Є також можливість тривалого зберігання живих тканин при низьких температура турах.

  Інший напрям технічних застосувань  низьких температур пов'язано  з додатками надпровідності. Тут найбільш важливу роль відіграє створення сильних магнітних полів (~ 103 ке), необхідних для прискорювачів заряджених частинок, трекових приладів (бульбашкових камер тощо), магнітогідродинамічних генераторів і різноманітних лабораторних досліджень. На основі явища надпровідного тунелювання розроблені надпровідні квантові інтерференційні пристрої, здатні вимірювати надзвичайно слабкі електричні напруги (~ 10-14 в), а також реєструвати дуже малі зміни магнітного поля (~ 10-11 е). Низькі температури відіграють також велику роль у квантовій електроніці.

ВИСНОВКИ

Температура, як фізична величина грає дуже велику роль у сучасному суспільстві. Тому і виникає потреба у її детальному вивченні. Життя на Землі в першу чергу залежить від температури, її джерела.

Отже, температура тісно зв’язана з поняттям хаотичного руху молекул. Низькими температурами вважають температури нижче точки кипіння рідкого гелію. Лікарі були першими, хто намагався виміряти температуру і винайшли 12 градусну шкалу теплової дії ліків.