Сжижение газов

СОДЕРЖАНИЕ:



Газы и сжижение газов.

Адиабатный процесс.

Низкие температуры.

Измерение криогенных температур.

Криогенная техника.

Физика низких температур.

Технические приложения низких температур.

Каскадный метод охлаждения как один из методов сжижения газов.

Литература. 


Газы (французское gaz; название предложено голландским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газы существенно зависит от давления и температуры. 

Диаграмма состояния вещества  рис.1:

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует температура Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки Tp)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Тк можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение.

При Т > Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 4), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.

В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. 

С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

Сжижение газов -  переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры (Тк) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации). 

Охлаждение газа ниже ТК необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > ТК жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М.Фарадей), кислород — в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода — в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К.Ольшевский) водород — в 1898 (Дж.  Дьюар), гелий — в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес).

Идеальный процесс сжижения газов изображен на рис. 2.  

Рис.2 

Изобара 1—2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации, 

изотерма 2—0 — конденсации газа. 

Площадь ниже 1—2—0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3 (1—3 — изотермическое сжатие газа,

 3—0 — адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу Lmin, необходимую для сжижения газа.



Lmin = T0(SГ — SЖ) — (JГ - JЖ),



где T0 — температура окружающей среды; SГ, SЖ — энтропии газа и жидкости; JГ, JЖ — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Значения Lmin и действительно затрачиваемой работы LД для сжижения ряда газов даны в таблице.

Промышленное сжижение газа с критической температурой ТК выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Сжижения газа с ТК, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа. с низким ТК применяются холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля — Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

Графическое изображение и схема дроссельного цикла сжижения газа дана на рис. 3.

Рис.3

 После сжатия в компрессоре (1—2) газ последовательно охлаждается в теплообменниках (2—3—4) и затем расширяется (дросселируется) в вентиле (4—5). При этом часть газа сжижается и скапливается в сборнике, а несжижившийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для сжижения газа по циклу с дросселированием необходимо, чтобы температура сжатого газа перед входом в основной теплообменник T3 была ниже температуры инверсионной точки. Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом T2. Если температура инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников T1 и T2. Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же температура инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен. Например, при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия — жидкий водород.

Для сжижения газа в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами (рис. 4), т. к. расширение газов с производством внешней работы — наиболее эффективный метод охлаждения. 

Рис.4

В самом детандере жидкость обычно не получают, ибо технически проще проводить само сжижение в дополнительной дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре (1—2) и предварительного охлаждения в теплообменнике (2—3) поток сжатого газа делится на 2 части: часть М отводится в детандер, где, расширяясь, производит внешнюю работу и охлаждается (3—7). Охлажденный газ подаётся в теплообменник, где понижает температуру оставшейся части сжатого газа 1 — М, которая затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение в детандере должно осуществляться при постоянной энтропии (3—6). Однако из-за потерь расширение протекает по линии 3—7. Для увеличения термодинамической эффективности процесса сжижения газа иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях.

Циклы с тепловыми насосами обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при сжижения газа с помощью холодильно-газовых машин, которые позволяют получать температуры до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл.). Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнительная дроссельная ступень.

Подвергаемые сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (например, воздух — от углекислоты, водород — от воздуха), которые при охлаждении могут затвердеть и закупорить теплообменную аппаратуру. Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей — необходимая часть установок сжижения газа.


Значения температуры кипения Ткип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры ТК, минимальной Lmin и действительной LД работ сжижения некоторых газов:



Газ

Ткип, К

ТК, К

Lmin, квт•ч/кг

Lд, квт•ч/кг

Азот

Аргон

Водород

Воздух

Гелий

Кислород

Метан

Неон

Пропан

Этилен

77,4

87,3

20,4

78,8

4,2

90,2

111,7

27,1

231,1

169,4

126,2

150,7

33,0 132,5

5,3

154,2

191,1

44,5

370,0

282,6

0,220

0,134

3,31

0,205

1,93

0,177

0,307

0,37

0,04

0,119

1,2—1,5

0,8—0,95

15—40

1,25—1,5

15—25

1,2—1,4

0,75—1,2

3—4

~ 0,08

~ 0,3



Сжижение (конденсацию) газов возможно осуществить лишь после их охлаждения до температур, меньших Тк.



Детандер (от франц. détendre - ослаблять), машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Детандер относится к классу расширительных машин, но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в детандере - наиболее эффективный способ его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, в криогенных рефрижераторах, в установках, имитирующих высотные и космические условия, в некоторых системах кондиционирования воздуха и т.д. 

Наиболее распространены поршневые детандеры.  и турбодетандеры :

Поршневой детандер



Поршневые детандеры - машины объёмного периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Они выполняются вертикальными и горизонтальными, одно- и многорядными. Торможение поршневых  детандеров осуществляется электрогенератором и реже компрессором. 

Применяются в основном в установках с холодильными циклами высокого 15-20 Мн/м2 (150-200 кгс/см2) и среднего 2-8 Мн/м2 (20-80 кгс/см2) давлений для объёмных расходов газа при температуре и давлении на входе в машину (физических расходов) 0,2-20 м3/ч. 



Центростремительный  реактивный турбодетандер

Турбодетандеры - лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа. 

Они делятся по направлению движения потока на центростремительные, центробежные и осевые; по степени расширения газа в соплах - на активные и реактивные; по числу ступеней расширения - на одно- и многоступенчатые. Наиболее распространён реактивный одноступенчатый центростремительный детандер разработанный П. Л. Капицей. Торможение турбинных  детандеров осуществляется электрогенератором, гидротормозом, нагнетателем, насосом.

 Турбодетандеры применяются главным образом в установках с холодильным циклом низкого давления 0,4-0,8 Мн/м2 (4-8 кгс/см2) для объёмных (физических) расходов газа 40-4000 м3/ч. Созданы турбодетандеры для холодильных циклов низкого, среднего и высокого давлений с объёмными расходами газа 1,5-40 м3/ч. Эти машины характеризуются малыми размерами (диаметр рабочего колеса 10-40 мм) и высокой частотой вращения ротора (100000-500000 об/мин).



Адиабатный процесс

Адиабатный процесс - процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. Адиабатный процесс можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого адиабатного процесса - рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

Адиабатный процесс можно реализовать и при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать настолько быстро, чтобы за время процесса не произошло теплообмена между системой и окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1 км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700 С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов Адиабатный процесс размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсоллютному нулю.

Адиабатные процессы могут протекать обратимо и необратимо. В случае обратимого адиабатного процесса энтропия системы остаётся постоянной. Поэтому обратимый адиабатный процесс  называют ещё изоэнтропийным. На диаграмме состояния системы он изображается кривой, называемой адиабатой, или изоэнтропой. В необратимых адиабатных процессах энтропия возрастает.

Низкие температуры

Низкие температуры - криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие температуры принято отсчитывать от абсолютного нуля температуры (-273,15 С, или 0 К) и выражать в кельвинах (К). 

На 13-м конгрессе Международного института холода в 1971 была принята рекомендация, согласно которой криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 К. Однако эта рекомендация ещё не получила широкого распространения; в данной статье рассматриваются низкие температуры границей ~ 80 К.

Получение низких температур. 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 Tn хладоагента. Практически применяют следующие хладоагенты (сжиженные газы): воздух (TN = 80 К), азот (Tn = 77,4 К), неон (TN = 27,1 К), водород (TN = 20,4 К), гелий (TN = 4,2 К). Для получения жидких газов служат специальные установки - ожижители, в которых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется. Сжиженные газы могут сохраняться достаточно долго в сосудах Дьюара и криостатах с хорошей теплоизоляцией (порошковые и пористые теплоизоляторы, например пенопласты).

Откачивая испаряющийся газ из герметизированного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать температуру её кипения. Т. о., изменением давления паров над кипящей жидкостью можно регулировать ёё температуру. Естественная или принудительная конвекция и хорошая теплопроводность хладоагента обеспечивают при этом однородность температуры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон температур: от 77 К до 63 К с помощью жидкого азота, от 27 К до 24 К - жидкого неона, от 20 К до 14 К - жидкого водорода, от 4,2 К до 1 К - жидкого гелия. 

Методом откачки нельзя получить температуру ниже тройной точки хладоагента. При более низких температурах вещество затвердевает и теряет свои качества хладоагента. Промежуточные температуры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются в специальных криостатах. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладоагента, например, помещают его внутрь вакуумной камеры, погруженной в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрический нагреватель) температура исследуемого объекта повышается по сравнению с температурой кипения хладоагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне.

 В др. способе получения промежуточных температур охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладоагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток откачиваемого газа. Применяется также метод охлаждения, при котором холодный газ, получаемый при испарении хладоагента, прогоняется через теплообменник (обычно медная трубка, свитая в спираль, или блок пористой меди), находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.

Гелий при атмосферном давлении остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Однако при откачке паров жидкого 4He обычно не удаётся получить температуру существенно ниже 1 К даже с помощью очень мощных насосов (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных паров 4He и его сверхтекучесть). Поэтому для достижения температур порядка десятых долей Кельвина употребляют изотоп гелия 3He (Tn = 3,2 К), который не является сверхтекучим при данных температурах. Откачивая испаряющийся 3He, удаётся понизить температуру жидкости до 0,3 К.

 Область температур ниже 0,3 К принято называть сверхнизкими температурами. Для получения таких температур применяются различные методы. 

Методом адиабатического размагничивания (магнитного охлаждения) с применением парамагнитной соли в качестве охлаждающей системы удаётся достичь Н. т. ~ 10-3 К. Тем же методом с использованием парамагнетизма атомных ядер были достигнуты Н. т. ~ 10-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатического размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения низких температур) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, который охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких температур, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удаётся.

Для получения температур порядка нескольких мК теперь широко пользуются более удобным методом - растворением жидкого 3He в жидком 4He. Применяемая для этой цели установка называется рефрижератором растворения. Действие рефрижераторов растворения основано на том, что 3He сохраняет конечную растворимость (около 6%) в жидком 4He вплоть до абсолютного нуля температуры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого 3He с разбавленным раствором 3He в 4He атомы 3He будут переходить в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов 3He из раствора путём откачки - в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции 3He, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения температуру ~ 10-30 мК. неограниченно долго. Холодопроизводительность таких рефрижераторов определяется производительностью насосов, а предельно достижимая низкая температурыа (несколько мК) - эффективностью теплообменников и устранением паразитного притока теплоты.

 Гелий 3He можно охладить ещё сильнее, используя эффект Померанчука. Жидкий 3He затвердевает при давлениях более 30 бар. В области температур ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 34 бар) сопровождается поглощением теплоты и понижением температуры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Таким путём были достигнуты температуры ~1-2 мК

Измерение низких температур

Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи. Первичные прецезионные термометры используются в основном для определения температур легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68). В области низких температур такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13, 81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы (17,042 К), точка кипения TN равновесного водорода (20,28 К), TN неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К), TN кислорода (90,188 К).

Для воспроизведения любого значения температуры от 630,74 градусовС до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~ 0,001 К служит платиновый термометр сопротивления. В диапазоне низких температур температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01 К. 

МПТШ-68, пока не продлена ниже 13,8 К, ввиду отсутствия в этой области низких температур вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах. В диапазоне 0,3-5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5-5,2 К (шкала 4He, 1958) и 0,3-3,3 К (шкала 3He, 1962). Зависимость ps (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

В области низких температур для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К - медный; в области водородных и гелиевых температур - вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

Существует ряд др. чувствительных к изменениям температуры устройств, которые могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения низких температур: термопары, термисторы, полупроводниковые диоды, датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамической температуры в этой области используют магнитные и ядерные методы. В магнитной термометрии пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости c парамагнитной соли. Согласно закону Кюри, при достаточно высоких температурах c ~ 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости.

 Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК.

 В основе ядерных методов измерения низких температур лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса, определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В др. методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения  во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

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:



Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М., 1974; 

Справочник по физико-техническим основам криогеники, 2 изд., М., 1973. 

А. Б. Фрадков.

Физика низких температур, пер. с англ. под общ. ред. А. И. Шальникова, М., 1959; 

Уайт Г. К., Экспериментальная техника в физике низких температур, пер. с англ., М., 1961;

Земанский М., Температуры очень низкие и очень высокие, пер. с англ., М., 1968;

Роуз-Инс А., Техника низкотемпературного эксперимента, пер. с англ., М., 1966; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971;

Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; 

Пегаков В. П., Свойства He3 и его растворов в He4, "Успехи физических наук", 1968, т. 94, в. 4, с. 607; 

Справочник по физикотехническим основам криогеники, под общ. ред. М. П. Малкова, 2 изд., М;, 1973; 

Клод Ж., Жидкий воздух, пер. с франц., Л., 1960; 

Герш С. Я., Глубокое охлаждение, 3 изд., ч. 1—2, М.—Л., 1957—60; 

Новые направления криогенной техники, пер. с англ., М., 1986;