Физика низких температур. Влияние низких температур на живой организм и неживую материю

 
 
 
 

реферат

по физике на тему:

«физика низких температур. влияние низких температур на живые организмы  и неживую материю» 

 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

 

Введение

     Физика  низких температур – раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

     Физика  низких температур изучает физические процессы, протекающие при очень низких температурах, вплоть до абсолютного нуля, занимается изучением свойств материалов при этих низких и сверхнизких температурах, и таким образом связана со многими областями науки и техники.

     Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.

     Обыватели привыкли к тому, что температура  измеряется в градусах Цельсия. Согласно Международной системе единиц температура измеряется в Кельвинах. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0°С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением:

     Т = 273,15 K + t.

     Так, температура кипения жидкого  кислорода по шкале Цельсия составляет -183°С (минус сто восемьдесят три градуса Цельсия), а по шкале Кельвина 90К (девяносто Кельвин), температура кипения жидкого азота -196°С или 77К, температура кипения жидкого водорода -253°С или 20К. Абсолютному нулю 0К, по шкале Цельсия соответствует температура минус 273°С. Ниже этой температуры не бывает во всей вселенной.

     Техника, с помощью которой получают столь  низкие температуры, называется криогенной техникой. «Крио» в переводе на русский язык означает «холод», а «гениум» – «рождение», таким образом, криогенная техника – это техника порождающая, или вырабатывающая холод. 
 

История физики низких температур

     В 1908 году в Лейденской лаборатории голландскому ученому Камерлингу-Оннесу впервые в мире удалось получить сжиженный гелий - самый трудносжижаемый газ. А в 1911 году он же начал изучать физические свойства чистых металлов при низких температурах.

     В те годы самыми чистыми металлами были самородное червонное золото и ртуть, которую умели получать несколькими способами. Используя полученные технические возможности, связанные со сжижением гелия, Камерлинг-Оннес внимательно изучал изменение электрического сопротивления этих двух суперчистых металлов с понижением температуры. И оказалось, что ведут они себя совершенно по-разному. Красивое, очень чистое самородное золото понижает свое сопротивление с понижением температуры, но оно остается конечным, сколь бы низкой ни была температура.

     А вот ртуть ведет себя совершенно неожиданно. При какой-то очень низкой температуре ее электрическое сопротивление исчезает, становится практически равным нулю.

     Вот таким образом Камерлинг-Оннес  совершил величайшее открытие. Он обнаружил  явление сверхпроводимости металлов. Теоретически это явление обосновано спустя полвека советским ученым Н.Н. Боголюбовым и, независимо от него, американскими учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером и Л. Купером. Этим ученым принадлежит приоритет в разработке теории сверхпроводимости металлов.

     Со  времени открытия явления сверхпроводимости  до начала 40-х годов 20 века область  физики низких температур развивалась  довольно медленно. Во всем мире в области криогеники работало не более 500-600 человек. Область была трудной, дорогой потому, что само вещество, с помощью которого получали низкие температуры, было дорогим.

     Располагая  уникальными возможностями проведения исследований вблизи абсолютного нуля, ученые пытались изучить все, что  только было можно. Они исследовали металлы, диэлектрики, живую материю, живые существа. Это были годы, когда пытались выяснить даже вопрос о том, влияют ли низкие температуры на период полураспада радиоактивных элементов.

     В этот период было открыто, что жидкий гелий обладает теплопроводностью, которая конкурирует с теплопроводностью самых лучших металлов. Жидкий гелий - вещество, которое сжижается и остается жидким при самой низкой температуре, вплоть до абсолютного нуля, затвердевает только в том случае, если его поместить в сосуд и поднять там давление до 25 атмосфер.

     При исследовании свойств жидкого гелия П.Л. Капица обнаружил, что эта удивительная жидкость обладает не только сверхтеплопроводностью, но и обладает еще одним уникальным свойством, свойством сверхтекучести, свойством, которое характеризуется тем, что эта жидкость может протекать сквозь самые тончайшие капилляры и поры без всякой вязкости, без всякого сопротивления.

     В годы Великой Отечественной войны обострился интерес к криогенике. Это было вызвано созданием нового вида оружия, новой военной техники, которая представляет собой ракетную технику.

     В послевоенные годы бурное развитие металлургической и химической промышленности (например, кислородное дутье в мартеновских печах, выработка аммиака, мочевины и др. продуктов) потребовало колоссального количества кислорода и азота. Получать эти газы с помощью обычных химических реакций можно, но только в пробирке. А обеспечение азотом и кислородом заводов и фабрик в промышленных масштабах можно осуществить только с помощью глубокого охлаждения.

     Установки, с помощью которых разделяют  воздух на составные элементы – это грандиозные сооружения, работающие продолжительное время по непрерывному циклу.

     С разработки, изготовления и запуска  таких установок и началось развитие отрасли криогенного машиностроения, что в свою очередь вызвало бурное развитие разных областей науки.

     Несмотря  на то, что в настоящее время  существует развитая теория сверхпроводимости проводников, сверхтеплопроводности и сверхтекучести жидкого гелия, теория осцилляционных явлений, ученые продолжают исследования свойств веществ в экстремальных условиях. Оказывается, когда исследуется вещество в экстремальных, то есть в необычных условиях, то можно многое понять о его поведении в обычных условиях.

     Область сверхнизких температур дает в этом смысле неограниченные возможности. По мере освоения передовых технологий производства различных генераторов холода, увеличился интерес к использованию этого холода в различных областях науки и техники. В результате этого в мире сложилась такая ситуация: кто бы ни был исследователь - физик чистый; физик, работающий в области физики металлов, полупроводников, диэлектриков; химик, занимающийся изучением химических реакций, строения химических веществ; биолог, занимающийся изучением свойств клетки, внеклеточных структур; пищевик, заботящийся о длительном хранении пищевых продуктов; исследователи многих других специальностей сосредотачивают свое внимание на современных достижениях криогеники. 
 

Методы  получения низких температур

     Испарение жидкостей

     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 хладоагента. Наиболее часто используемые хладагенты – жидкий азот и жидкий гелий. Ранее использовавшиеся сжиженные водород и кислород сейчас используются достаточно редко из-за повышенной взрывоопасности испарений. Азот же и гелий практически инертны и опасность представляет только резкое расширение при переходе из жидкого в газообразное состояние.

     Снижая  давление над свободной поверхностью жидкости можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки 63 K, откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K.

     Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно  получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия ³Не.

     Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур – это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

      Дросселирование

     Первый  метод – дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При протекании через сужение проходного канала трубопровода – дроссель, либо через пористую перегородку молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, происходит понижение давления газа или пара, и газ охлаждается.

     Этот  метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ  сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа ожижается.

     У каждого газа есть определенная температурная  точка – инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Поэтому применять метод дросселирования можно, только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (–80° С), а у гелия даже 33 К (–240° С).

     Изменение температуры при малом изменении  давления в результате дросселирования определяется производной , называемой коэффициентом Джоуля-Томсона.

      Расширение с совершением внешней работы

     При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается.

     Расширительные  машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут  быть поршневого или турбинного типа. На рисунке 1 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атмосфер. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11-12 К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике.

     Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух – своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум. 

     Рис. 1 – Воздушный ожижитель Клода 
1 - воздушный компрессор; 2 - детандер; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух 

     Адиабатическое размагничивание

     Метод основан на эффекте выделения  теплоты из парамагнитных солей  при их намагничивании и последующем  поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K. Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, то есть соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами.

      Эффект Пельтье

     Эффект  Пельтье используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.