Отримання наднизьких температур
За допомогою зріджених газів можна безпосередньо охолодити інші об’єкти, оскільки теплообмін при цьому достатньо добрий. Тому задача досягнення більш низьких температур зводиться до зрідження газів і подальшого охолодження рідин.
Цей
процес можна розглянути таким чином.
Рідина кипить при рзовн =
рн,
де рн
– тиск насиченої пари. Зменшуючи в
посудині над поверхнею рідини зовнішній
тиск рзовн,
ми одночасно знижуємо і пружність
насиченої пари. При цьому залишається
рзовн
=
рн
рідина кипить.
У той же час, зниження рн (разом з рзовн) призводить до зниження температури кипіння рідини. Тому, примушуючи рідину кипіти при все нижчому значенні зовнішнього тиску, ми досягаємо все більш низьких температур у рідині.
За певної температури рідини переходять у твердий стан (за виключенням Не – II). Але теплообмін з твердими тілами відбувається неефективно. Тому за допомогою зріджених газів (охолоджених рідин) можна отримувати низькі температури в інтервалі від температури кипіння при атмосферному тиску Тк,рн до температур затвердіння Тзатв. Не переходить у твердий стан лише Не4; при відкачуванні його пари досягається температура Т=0.7 К при тиску рзовн = 0.293 Па. Подальшого зниження температури гелію Не4 за рахунок відкачування пари досягти не вдалося із-за інтенсивного випаровування, коли насоси не встигають викачувати пару і знижувати тиск.
Отже, найнижча температура, яка може бути отримана за допомогою охолодження рідкого гелію Не4 дорівнює 0.7÷1 К.
Для отримання температур нижче 1 К використовують Не3, який має температуру кипіння Тк = 3.2 К при нормальному тиску рн. Відкачуючи пару над поверхнею рідкого гелію Не3, можна досягти Т = 0.3 К.
З метою досягнення температур порядку 10-3 К застосовують метод адіабатного розмагнічування парамагнітних солей. Найнижча температура, отримана в такий спосіб складає Т ≈ 0.001 К.
Зауважимо лише, що згідно третього закону термодинаміки, абсолютний нуль температури не може бути досягнутий шляхом кінцевого числа операцій.
Конкретні зріджені гази дозволили отримати такі інтервали температур:
-
Речовина
Температура зрідження при р=рзовн
Температура затвердіння
азот
77.32К (-196ºС)
63.14К
рідкий кисень
90.12К (-183ºС)
54.36К
рідкий водень
20.93К (-253ºС)
14.04К
рідкий гелій
4.21К (-269ºС)
0.7К
(не твердіє)