Метод противоточного обмена теплотой
Рассмотрим в общих чертах способ получения криогенных температур, в основе которого лежат процесс Джоуля-Томсона и адиабатическое расширение газа, а также их комбинация.
Сначала газ изотермически сжимается в компрессоре до давления несколько сотен атмосфер при комнатной температуре. После чего он расширяется либо в процессе Джоуля-Томсона, либо адиабатически. В результате газ охлаждается и используется для предварительного охлаждения следующей порции газа. Эта порция после расширения окажется при температуре более низкой, чем первая. С её помощью охлаждается следующая порция газа и т.д. После многих циклов температура понижается до необходимого значения.
На практике используется метод охлаждения газа путем теплообмена между встречными потоками газа, который так и называется методом противоточного обмена теплотой [7]. Устройство, в котором это происходит, называется теплообменником. Устройство, в котором газ адиабатно расширяется и при этом охлаждается, называется детандером.
Часто газ в состоянии исходного сжатия охлаждают другим сжиженным газом, полученным в другой установке. Например, при производстве жидкого гелия его предварительное охлаждение происходит с помощью жидкого водорода. В свою очередь в производстве жидкого водорода может быть использован жидкий азот.
Температуру ниже температуры кипения жидкого гелия (4,19 ) можно получить уменьшением давления над кипящей жидкостью путем откачки. Предельное значение достигаемой температуры этим методом равно 0,72 . Дальнейшее понижение температуры может дать достигнуто принципиально другими методами.
Метод адиабатического размагничивания
Этот метод основан на зависимости
энтропии парамагнитной соли от величины
напряженности внешнего магнитного
поля, в которое помещен образец. Кроме
того используется свойство изоэнтропийности
обратимого адиабатного процесса
Представим описание метода в виде последовательности совершаемых действий и получаемых результатов:
• Парамагнитный образец, находящийся
в контакте с жидким гелием (
)
поместим в медленно растущее магнитное
поле и адиабатически намагнитим его.
• Энтропия системы магнитных моментов
ионов соли вследствие их упорядочения
во внешнем поле уменьшается:
• При этом увеличивается энтропия,
связанная с тепловыми колебаниями
кристаллической решетки соли:
.
Парамагнетик в адиабатном процессе
нагревается, поскольку
• Парамагнетик в намагниченном состоянии, находясь в контакте с жидким гелием, не изменят свою температуру (0,7 ).
• Устраним контакт образца с жидким гелием.
• Медленно уменьшим внешнее магнитное поле до нуля.
• Парамагнетик размагничивается, хаос
в системе магнитных моментов растет:
.
• Это приводит к понижению температуры
образца. Вследствие этого энтропия
уменьшается,
.
Тепловой эффект адиабатного охлаждения весьма велик. Используя для размагничивания несколько граммов квасцов (хромокалиевых или железоаммониевых), можно понизить температуру нескольких килограммов диамагнитного вещества с 1 до сверхнизких температур (~10-3 ). Используя более сложный процесс адиабатного размагничивания ядерных спиновых моментов, можно получить температуры до 10-8 и ниже.
При криогенных температурах проявляются многие необычные свойства вещества, например, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Контрольные вопросы
1.Какие
состояния вещества соответствуют
волнообразному участку на изотерме
Ван-дер-Ваальса
?
При каких условиях эти состояния могут
быть реализованы?
2.В каких приборах (устройства) находят применение метастабильные состояния вещества?
3.Какими способами можно найти значения критических параметров? Запишите значения , и в приближении Ван-дер-Ваальса.
4.Почему газовая постоянная в критическом состоянии меньше чем R=8,31 Дж/моль· ?
5.Что называется приведенным уравнением состояния? Сформулируйте закон соответственных состояний.
6.Опишите критические явления.
7.Как проявляются флуктуации плотности вещества в критическом состоянии?
8.Обладая очевидными достоинствами, уравнение Ван-дер-Ваальса не лишено недостатков. Назовите их.
9.Запишите калорическое уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса.
Почему реальный газ при расширении в вакуум охлаждается?
10.Как происходит процесс Джоуля-Томсона? В чем заключается сущность эффекта Джоуля-Томсона?
11.Что называется температурой инверсии? Как эта величина зависит от объема газа в интегральном эффекте Джоуля-Томсона?
12. Объясните суть метода адиабатического размагничивания применяемого для получения сверхнизких температур.
ЛЕКЦИЯ 15
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПЕРВОГО И ВТОРОГО РОДА