
- •Физика низких температур
- •1.1. Общая характеристика методов получения низких температур
- •1.1.1. Процесс дросселирования. Эффект Джоуля – Томсона
- •1 .1.2. Процесс детандирования (расширения с совершением работы
- •1.2. Циклы, основанные на использовании эффекта Джоуля – Томсона
- •1.3. Циклы, основанные на использовании расширения с отдачей внешней работы и эффекта Джоуля – Томсона
- •1.4. Специальные методы охлаждения
- •1.5. Методы получения температур ниже 0,3 к
- •2.1. Физические свойства криогенных жидкостей
- •2.2. Равновесные состояния и фазовые переходы чистых веществ
- •2.3. Зависимость упругости паров криогенной жидкости от ее температуры
- •2.4. Изменение температуры кипения жидкости путем откачки ее паров
- •2.5. Криостаты
- •2.6. Охлаждение криогенными жидкостями
- •3.1. Фононная теплоемкость. Закон Дебая
- •3.2. Электронная теплоемкость
- •3.3. Аномалии теплоемкости твердых тел
- •3.4. Теплопроводность твердых тел при низких температурах
- •3.5. Тепловое излучение
- •4.1. Свойства парамагнитных солей
- •4.2. Метод адиабатного размагничивания. Т-s диаграмма парамагнитных
- •4.3. Ядерное размагничивание
- •4.4. Магнито-калорический эффект. Магнитная термометрия
- •5.1. Гелий-4 , теплофизические свойства, диаграмма состояния
- •5.2. Квантовый характер поведения гелия. Элементы теории Ландау
- •5.3. Тепловые эффекты в Не-II
- •5.4. Гелий - 3, его теплофизические свойства, диаграмма состояния
- •5.5. Смеси 3Не и 4Не. Низкотемпературные методы разделения 3Не и 4Не
- •6.1. Зонная теория твердых тел
- •6.2. Электропроводность металлов при низких температурах
- •7. Сверхпроводимость
- •7.1. Основы сверхпроводимости
- •7.1.1. Температура перехода в сверхпроводящее состояние, критическое
- •7.2. Термодинамические свойства сверхпроводников
- •7.3. Некоторые вопросы теории сверхпроводимости
- •7.4. Классификация сверхпроводников
- •7.5. Применение сверхпроводников в технике
- •8. Низкотемпературная термометрия
- •8.1. Классификация и принцип работы термометров, работающих
- •8.2. Другие методы измерения криогенных температур
А. В. Зиновьева
Конспект лекций
Омск 2006
Федеральное
агентство по образованию
Государственное
образовательное учреждение
высшего
профессионального образования
«Омский
государственный технический
университет»
Физика низких температур
УДК 536.483(075)
ББК 22.36я73
З63
Рецензенты:
А.С. Ненишев, д-р техн. наук, проф., зав. каф. СибАДИ;
Л. В. Попов, канд. техн. наук, акад. МАХ, зам. ген. дир.
ООО «НТК «Криогенная техника»
Зиновьева А.В.
З63 Физика низких температур: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 86 с.
В конспекте лекций излагаются необходимые сведения по получению и применению низких и сверхнизких температур, кроме того, проведен эксергетический анализ некоторых криогенных систем.
Рассмотрены вопросы теплоемкости, теплопроводности и электропроводности твердых тел при низких температурах, а также сверхпроводимости и применения сверхпроводников в технике. Приведены различные методы измерения криогенных температур, а также описаны наиболее распространенные приборы для измерения низких и сверхнизких температур.
Печатается по решению редакционно-издательского отдела
Омского государственного технического университета
УДК 536.483 (075)
ББК 22.36я73
© Зиновьева А. В., 2006
© Омский государственный
технический университет, 2006
ОСНОВНЫЕ принятые обозначения
p – давление, Па; |
||
V
– объем,
|
||
N – число молекул в , 1/ ; |
||
– удельный объем, /кг; |
||
F
– площадь поперечного сечения,
|
||
М
–
масса, кг; молярная масса, кг/моль;
величина намагниченности,
|
||
m – массовый расход, кг/с; |
||
– массовая доля; |
||
T – абсолютная температура, К; |
||
r – теплота испарения, Дж/кг; |
||
R – универсальная газовая постоянная, R = 8,3146 кДж/(Ккмоль); |
||
k
–
постоянная
Больцмана, k
=
|
||
– плотность среды, кг/ ; удельное электрическое сопротивление, Омм; |
||
i – удельная энтальпия, Дж/кг; |
||
|
||
|
||
G – скорость испарения, кг/с; |
||
Q – тепловой поток, Вт; |
||
α
– коэффициент
теплоотдачи,
|
||
u – удельная внутренняя энергия, Дж/кг; |
||
h
– универсальная постоянная Планка,
h
=
|
||
– характеристическая температура Дебая, К; |
||
– коэффициент адиабаты; |
||
|
||
|
||
|
||
λ – коэффициент теплопроводности газа, Вт/(мК); |
||
– степень черноты; |
||
|
||
– электрическая
проводимость,
|
||
Н – напряженность магнитного внешнего поля, А/м; |
||
D
– постоянная Кюри,
|
||
– коэффициент
магнитной восприимчивости,
|
||
s – удельная энтропия, Дж/кг; |
||
|
||
|
||
– коэффициент полезного действия (КПД); |
||
Нижние индексы: |
||
н – начальные условия; |
s – адиабатные условия; |
|
к – конечные условия; |
– эксергетическое значение. |
Введение
Физика низких температур имеет исключительно важное промышленное и научное значение, интерес к ее достижениям растет, и быстро расширяются сферы ее применения.
Воздействуя на температуру, получаем возможность существенно повысить эффективность известных процессов, технологий в технике, или создавать принципиально новые технологии и образцы новой техники. Важнейшие направления научно-технического прогресса не могут быть реализованы без использования низких температур.
Стремительно развивается техника ожижения водорода, гелия, неона. Жидкий водород используется для пузырьковых камер, представляет исключительную ценность как ракетное топливо, с ним связано развитие водородной энергетики, атомных ракетных двигателей. Изотоп водорода – дейтерий, получаемый низкотемпературной ректификацией, – сырье для получения тяжелой воды и термоядерного синтеза. Огромное значение гелия обусловлено возможностью широкого температурного диапазона криостатирования: от 0,03 К до 100 К и выше.
Разработаны крупные вакуумные камеры для имитации условий околоземного пространства (низкие температуры и глубокий вакуум). Для этих целей на базе криогенных систем созданы криогенные и криосорбционные вакуумные насосы.
Расширилось применение криогенных систем в области электроники. Преодоление существующих ограничений единичной мощности турбогенераторов, двигателей и трансформаторов путем уменьшения джоулевых потерь, габаритов, массы, связанных с охлаждением обмоток этих устройств до 70–4,2 К, возможно только этим путем. Применение очень чистых металлов (Na, Al, Be) для обмоток и их охлаждение приводит к снижению омического сопротивления в 1000 раз, а затраты на криогенную установку быстро окупаются.
Первостепенное значение в важнейших областях научных исследований, таких, как термоядерный синтез, магнитогазодинамические генераторы (МГД-генераторы), ускорение частиц высоких энергий, радиационная защита, приобрели криогенные магниты.
В последние годы проявляется чрезвычайно большой интерес к практическому использованию сверхпроводимости. Эта проблема признана одной из важнейших научно-технических задач современности, которая обеспечит прогресс в энергетике, радиоэлектронике, космических, термоядерных и других исследованиях.
В этом направлении наиболее актуальным для технического применения сверхпроводимости является создание сверхпроводящих электромагнитов, трансформаторов, линий электропередач, криотронов, выпрямителей, подшипников и подвесок, гироскопов, электрических машин, резонаторов и волноводов, болометров, гальванометров и др.
Особенно важным стало использование криогенных систем в радиоэлектронике. С их помощью улучшены параметры обычных радиотехнических схем и созданы принципиально новые устройства.
Большое значение приобрели приемники инфракрасного (ИК) излучения для систем обнаружения, пеленгования, самонаведения различных ракет по наземным целям, кораблям, самолетам, для взрывателей, съемок местности ночью с большой высоты, в телескопах, радиометрах, пирометрах, спектрометрах и т.д.
Радиотехника СВЧ (мазеры, лазеры, параметрические усилители, линии задержки и т.д.) позволила разработать системы сопровождения космических объектов, связи с использованием искусственных спутников, радиолокации планет, обнаружения объектов, высоких плотностей энергии для технологических и военных целей, телевидения, медицины и др.
Все большее применение получают криогенные системы в биологии (для хранения крови, костного мозга, тканей), в сельском хозяйстве (животноводство, создание банков растительного мира, хранение и переработка фруктов и овощей), в медицине (криохирургия), в других областях техники.
В целом можно отметить высокий уровень современных разработок эффективных и надежных криогенных установок большой производительности и миниатюрных криогенных систем. Об отечественных достижениях говорит сам факт: криогеника – одна из немногих отраслей в стране, для которой государство не приобретает ни одного изделия за рубежом.
История физики низких температур неразрывно связана в первую очередь с разработкой методов получения низких температур, ожижения газов и исследованиями физических свойств веществ при низких температурах. Вместе с тем постоянно расширявшееся практическое применение низких температур формировало различные области криогенной техники и технологии. До 60-х гг. основное промышленное значение имели криогенные воздухоразделительные установки на уровне температур до 70 К. Начиная с 60-х гг., интенсивно развивается промышленное производство водородных и гелиевых систем с уровнем температур до 4 К. В 80-е гг. практическое использование получили гелиевые установки, работающие на уровне температур 1,8 К.
Большое самостоятельное значение приобрели в последние годы технологии ожижения, транспортирования и хранения природного газа. Постоянно растет потребление аргона, неона и других редких газов. Созданы новые эффективные криогенные системы охлаждения сверхпроводящих обмоток электрических машин и магнитов; системы охлаждения лазеров и мазеров; установки для очистки газовых сред методами низкотемпературной сорбции и ректификации; мощные крионасосы, обеспечивающие создание высокого вакуума; медицинское криохирургическое оборудование и др. Развитие радиоэлектроники потребовало создания миниатюрных охладителей.
1. Основные методы получения низких температур
Имеются два основных метода, которые применяются в широкой практике для достижения криогенных температур:
Использование эффекта Джоуля – Томсона.
Расширение с отдачей внешней работы.
Практически осуществленные криогенные процессы в той или иной форме используют один из этих методов либо их комбинацию.
Н
а
рис. 1.1 представлена классификация
методов получения низких температур,
некоторые из которых будут рассмотрены
ниже. Подробнее о методах получения
низких температур и циклах можно узнать
в [1–4].
Рис.1.1. Классификация методов получения низких температур