Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Водород, как альтернативное топливо.
Как известно наша планета богата энергоносителями, которые, вот уже не одну сотню лет, исправно служат человеку, делая его жизнь более комфортной. Но так же известно, что запасы полезных ископаемых, из которых получают эти энергоносители, с каждым годом всё уменьшаются, а их стоимость в связи с этим растёт, не говоря уже о загрязнении окружающей среды путём выброса в атмосферу продуктов сгорания. Далее...

Низкие температуры

низкие температуры

НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ (криогенные температуры) - обычно темп-ры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (ок. 80 К). Согласно рекомендации, принятой 13-м конгрессом Междунар. ин-та холода (1971), криогенными темп-рами следует называть темп-ры ниже 120 К.
Получение Н. т. Для получения и поддержания Н. т. обычно используют сжиженные газы (хладагенты). В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атм. давлением, достаточно хорошо поддерживается пост. темп-pa Тн кипения хладагента. Практически применяют след. хладагенты, воздух15001-38.jpg 80 К), азот (Тн = 77,4 К), неон (Тн = 27,1 К), водород (Тн = 20,4 К), гелий (Тн = 4,2 К). Для получения жидких газов служат спец. установки - ожижители, в к-рых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется (см. Джоуля - Томсона эффект].
Откачивая испаряющийся газ из герметизпр. сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать темп-ру её кипения. Естеств. или принудит. конвекция и хорошая теплопроводность хладагента обеспечивают при этом однородность темп-ры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон темп-р: от 77 до 63 К при помощи жидкого азота, от 27 до 24 К - жидкого неона, от 20 до 14 К - жидкого водорода, от 4,2 до 1 К - жидкого гелия. Методом откачки нельзя получить темп-ру ниже тройной точки хладагента. При более низких темп-pax вещество затвердевает и теряет свои качества хладагента. Промежуточные темп-ры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются спец. методами. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладагента, помещая его, напр., внутрь вакуумной камеры, погружённой в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрич. нагреватель) темп-pa исследуемого объекта повышается по сравнению с темп-рой кипения хладагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных темп-р охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток испаряющегося газа. Применяется также метод охлаждения, при к-ром холодный газ, получаемый при испарении хладагента, прогоняется через теплообменник, находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.
Гелий при атм. давлении остаётся жидким вплоть до абс. нуля темп-ры (см. Гелий жидкий). Однако при откачке паров жидкого 4Не (природного изотопа гелия) обычно не удаётся получить темп-ру существенно ниже 1 К, даже применяя очень мощные насосы (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщ. паров 4Не иего сверхтекучесть). Откачкой паров изотопа 3Не (Тн= = 3,2 К) удаётся достичь темп-р ~ 0,3 К. Область темп-р ниже 0,3 К наз. сверхнизкими темп-рами. Методом адиабатич. размагничивания парамагн. солей (см. Магнитное охлаждение)удаётся достичь темп-р ~10-3К. Тем же методом с использованием ядерного парамагнетизма в системе атомных ядер были достигнуты темп-ры ~10-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатич. размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения Н. т.) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, к-рый охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких темп-р, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удаётся.
Для получения темп-р порядка неск. мК широко пользуются более удобным методом - растворением жидкого 3Не в жидком 4Не. Применяют для этой цели рефрижераторы растворения (см. Крuocmam). Их действие основано на том, что 3Не сохраняет конечную растворимость (ок. 6%) в жидком 4Не вплоть до абс. нуля темп-ры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого 3Не с разбавленным раствором 3Не в 4Не атомы 3Не переходят в раствор. При этом поглощается теплота растворения и темп-pa раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов 3Не из раствора путём откачки - в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции 3Не, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения темп-ру 10 - 30 мК неограниченно долго. Гелий 3Не можно охладить ещё сильнее, используя Померанчука эффект .Жидкий 3Не затвердевает при давлении более 3 х 106 Па. В области темп-р ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 3,4 х 106 Па) сопровождается поглощением теплоты и понижением темп-ры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Этим методом были достигнуты темп-ры ~1 - 2 мК.
Измерение Н. т. Первичным прибором для измерения термодинамич. темп-ры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустич. и шумовой термометры, действие к-рых основано на связи термодинамич. темп-ры соответственно со значением скорости звука в газе и с интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрич. цепи. Первичные прецизионные термометры используют в осп. для определения темп-р легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. репериых точек), к-рые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68).
Для измерения темп-ры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~ 0,001 К служит платиновый термометр сопротивления. МПТШ-68 пока не продлена ниже 13,8 К ввиду отсутствия в этой области Н. т. вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких темп-pax. В диапазоне 0,3 - 5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщ. паров psгелия от темп-ры, устанавливаемой газовым термометром. Эта зависимость была принята в качестве междунар. температурной шкалы в области 1,5 - 5,2 К (шкала 4Не, 1958) и 0,3 - 3,3 К (шкала 3Не, 1962). Зависимость ps)в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитич. ф-лой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли К.
В области Н. т. для целей практич. термометрии применяют гл. обр. термометры сопротивления (до 20 К - медный; в области водородных и гелиевых темп-р вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление к-рых возрастает при понижении темп-ры). Для измерения темп-ры ниже 100 К применяют также термометры сопротивления из чистого германия.
Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамич. темп-ры в этой области используют методы магнитной термометрии и ядерные методы. В основе ядерных методов измерения Н.т. лежит принцип квантовой статистич. физики, согласно к-рому равновесная заселённость дискретных уровней энергии системы зависит от темп-ры. В одном из таких методов измеряются интенсивности линий ядерного магнитного резонанса, определяемые разностью заселённостей уровней энергии ядер в магн. поле; в др. методе - зависящее от темп-ры отношение интенсивностей компонентов, на к-рые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (см. Мёссбауэровская спектроскопия)во внутр. магн. поле ферромагнетика.
Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне 30 - 100 мК по осмотическому давлению 3Не в смеси 3Не - 4Не. Абсолютная точность измерений - ок. 2 мК при чувствительности осмотич. термометра ~ 0,01 мК.

Физика Н. т. Применение Н. т. сыграло важную роль в изучении конденсир. состояния вещества. Особенно много новых фактов и закономерностей было открыто при изучении свойств разл. веществ при гелиевых темп-pax. Это привело к выделению спец. раздела физики - физики Н.т. При понижении темп-ры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, к-рые при обычных темп-pax вуалируются тепловым движением атомов.
Благодаря значит. подавлению теплового движения атомов при Н. т. удалось обнаружить большое число макроскопич. явлений, имеющих квантовую природу: существование гелия в жидком состоянии вплоть до абс. нуля темп-ры (0К), сверхтекучесть, сверхпроводимость и др. При Н. т. состояние твёрдого тела можно рассматривать как упорядоченное состояние, соответствующее ОК, но с учётом влияния "газа" элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение разл. типов квазпчастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при Н. т.
Охлаждение до сверхнизких темп-р применяется в ядерной физике, напр. для создания мишеней и источников с поляризов. ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц.

Технические применения Н. т. Одна из гл. областей применения Н. т. в технике - разделение газов. Произ-во кислорода и азота в больших кол-вах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификац. колоннах. Н. т. используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активиров. угле или цеолите (адсорбц. насос) или непосредственно конденсацией паров на металлич. стенках сосуда с хладагентом (крионасос). Охлаждение до темп-р жидкого воздуха или азота находит применение в медицине (лечение мозговых опухолей, консервация живых тканей). Широко применяются Н. т. в электронике и радиотехнике для подавления аппаратурных шумов.

Лит.: Физика низких температур, пер. с англ., М., 1959; Справочник по физико-техническим основам криогеники, под ред. М. П. Малкова, 3 изд., М., 1985; Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Роуз-Инс А., Техника низкотемпературного эксперимента, пер. с англ., М., 1966; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получения температур ниже 1 К, пер. с англ., М., 1977; Капица П. Л., Научные труды. Физика и техника низких температур, М., 1989.

И. П. Крылов.

  Предметный указатель