Fizica temperaturilor scăzute

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 21 august 2017; verificarea necesită 21 de modificări .

Fizica temperaturii  joase este o ramură a fizicii care studiază proprietățile fizice ale sistemelor la temperaturi scăzute. În special, această secțiune tratează fenomene precum supraconductivitate și superfluiditate . Fizica temperaturii joase studiază procesele fizice care au loc la temperaturi foarte scăzute, până la zero absolut , se ocupă cu studiul proprietăților materialelor la aceste temperaturi scăzute și ultra-scăzute și este astfel asociată cu multe domenii ale științei și tehnologiei. [unu]

Metode de obținere a temperaturilor scăzute

Evaporarea lichidelor

Gazele lichefiate sunt utilizate în mod obișnuit pentru a obține și menține temperaturi scăzute . Într -un vas Dewar , care conține gaz lichefiat care se evaporă la presiunea atmosferică, temperatura constantă de fierbere normală a agentului frigorific este bine menținută. Agenții frigorifici cei mai des utilizați sunt azotul lichid și heliul lichid . Hidrogenul și oxigenul lichefiat utilizate anterior sunt acum folosite destul de rar din cauza explozivității crescute a vaporilor. Azotul și heliul sunt practic inerte, iar singurul pericol este o expansiune bruscă în timpul trecerii de la starea lichidă la starea gazoasă.

Prin reducerea presiunii deasupra suprafeței libere a unui lichid, se poate obține o temperatură sub punctul normal de fierbere al acestui lichid. De exemplu, prin pomparea vaporilor de azot, pot fi atinse temperaturi până la temperatura punctului triplu de 63 K; prin pomparea vaporilor de hidrogen (peste faza solidă), pot fi atinse temperaturi de 10 K; prin pomparea vaporilor de heliu, temperaturi de aproximativ 0,7 K se poate realiza (în condiţii experimentale foarte bune).

throttling

Când curge printr-o constricție în canalul de trecere al conductei - o clapă de accelerație sau printr-o partiție poroasă, are loc o scădere a presiunii unui gaz sau abur împreună cu o scădere a temperaturii acestuia. Efectul de throttling este utilizat în principal pentru răcirea profundă și lichefierea gazelor.

Modificarea temperaturii pentru o mică modificare a presiunii ca urmare a procesului Joule-Thomson este determinată de derivata , numită coeficient Joule-Thomson.

Extindere cu lucru extern

Puteți răci gazul folosind un expander - un dispozitiv pentru răcirea suplimentară a gazului prin eliberarea acestuia sub presiune într-un cilindru cu un piston care se mișcă cu forță. Gazul funcționează și se răcește. Este utilizat în ciclul de producție a heliului lichid.

Dacă utilizați o turbină în loc de piston, obțineți un turbo expander, al cărui principiu de funcționare este similar.

Demagnetizare adiabatică

Metoda se bazează pe efectul degajării de căldură din sărurile paramagnetice în timpul magnetizării lor și pe absorbția ulterioară a căldurii în timpul demagnetizării lor. Acest lucru face posibilă obținerea unor temperaturi de până la 0,001 K. Pentru a obține temperaturi foarte scăzute, cele mai potrivite sunt sărurile cu o concentrație scăzută de ioni paramagnetici, adică sărurile în care ionii paramagnetici învecinați sunt separați între ei de atomi nemagnetici. .

Efectul Peltier

Efectul Peltier este utilizat în dispozitivele de răcire termoelectrice. Se bazează pe scăderea temperaturii joncțiunilor semiconductoarelor atunci când un curent electric continuu trece prin acestea. Cantitatea de căldură eliberată și semnul acesteia depind de tipul de substanțe de contact, puterea curentului și timpul de trecere a curentului, adică cantitatea de căldură eliberată este proporțională cu cantitatea de sarcină trecută prin contact.

Criostat de dizolvare

Procesul de răcire folosește un amestec de doi izotopi de heliu : 3 He și 4 He . Când este răcit sub 700 mK, amestecul se confruntă cu o separare spontană a fazelor , formând faze bogate în 3 He și faze bogate în 4 He. Amestecul de 3 He/ 4 He este lichefiat într- un condensator care este conectat printr-un sufocare la zona bogată în 3 He a camerei de amestecare. Cei 3 atomi de He care trec prin limita de fază preiau energie din sistem. Frigiderele cu diluție cu ciclu continuu sunt utilizate în mod obișnuit în experimentele de fizică la temperaturi scăzute.

Măsurarea temperaturilor scăzute

Dispozitivul termometric primar pentru măsurarea temperaturii termodinamice până la 1 K este un termometru cu gaz . Se folosesc termometre de rezistență ( platină  - pentru măsurători de precizie, cupru , cărbune ).

Termocuplurile , diodele semiconductoare pot fi folosite ca termometre secundare  - cu toate acestea, necesită calibrare. Un analog al termometriei în ceea ce privește presiunea vaporilor saturați în regiunea temperaturilor ultra-scăzute este măsurarea temperaturii în intervalul 30-100 mK utilizând presiunea osmotică ³He într-un amestec ³He- 4He .

Istoria fizicii temperaturii joase

Principalele etape ale dezvoltării fizicii la temperaturi joase au fost asociate cu lichefierea gazelor, ceea ce a făcut posibilă efectuarea măsurătorilor la o temperatură egală cu punctul de fierbere.

• În 1852, James Joule și William Thomson au descoperit efectul Joule-Thomson .
• În 1883, Sigismund Wroblewski și Karol Olszewski au fost primii care au obținut oxigen lichid și azot lichid în cantități măsurabile.
• În 1898, James Dewar a obținut aproximativ 20 cm³ de hidrogen lichid .
• În 1908, Heike Kamerling-Onnes a reușit să obțină 60 cm³ de heliu lichid . Temperaturile scăzute necesare pentru condensarea heliului au fost atinse prin stroflarea adiabatică a hidrogenului.
• În 1913, Heike Kamerling-Onnes a primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru obținerea heliului lichid .
• În 1925, Albert Einstein a prezis teoretic existența unui condensat Bose-Einstein ca o consecință a legilor mecanicii cuantice bazate pe munca lui Shatyendranath Bose .
• În 1926, Willem Hendrik Keesom a reușit să obțină 1 cm³ de heliu solid folosind nu numai temperatura scăzută, ci și presiunea ridicată.
• În 1930 [2] Willem Hendrik Keesom a descoperit prezența unei tranziții de fază în heliul lichid la o temperatură de 2,17 K și o presiune a vaporilor de saturație de 0,005 MPa. Denumește faza stabilă peste 2,17 K heliu-I și faza stabilă sub 2,17 K heliu-II. El observă, de asemenea, anomalii asociate de conductivitate termică (chiar el numește heliu-II „conductiv supertermic”), capacitatea de căldură, fluiditatea heliului.
• În 1938, P. L. Kapitsa a descoperit superfluiditatea heliului-II.
• În 1941, L. D. Landau a dat o explicație mecanică cuantică a fenomenului de superfluiditate .
• În 1948, heliul-3 a fost, de asemenea, lichefiat pentru prima dată .[ cui? ]
• În 1962, L. D. Landau a primit Premiul Nobel pentru Fizică .
• În 1972, în 3 He lichid a fost descoperită o tranziție de fază la starea superfluid . Mai târziu s-a demonstrat experimental că sub 2,6 mK și la o presiune de 34 atm , 3 El devine într-adevăr superfluid.
• În 1978, Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat lui Pyotr Kapitsa , Arno Allan Penzias și Robert Woodrow Wilson pentru descoperirea fenomenului de superfluiditate .
• În 1995, condensatul Bose-Einstein a fost obținut pentru prima dată de Eric Cornell și Karl Wiman . Oamenii de știință au folosit un gaz de atomi de rubidiu , răcit la 170 nanokelvin .
• În 1996, D. Osherov , R. Richardson și D. Lee au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea superfluidității heliului-3 .
• În 2001, Eric Cornell , Karl Wieman , împreună cu Wolfgang Ketterle , au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru obținerea Condensului Bose-Einstein .
• În 2003, Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat lui Alexei Alekseevich Abrikosov , Vitaly Lazarevich Ginzburg și Anthony Leggett , inclusiv pentru crearea teoriei superfluidității heliului-3 lichid.
• În 2004, a fost anunțată descoperirea superfluidității în heliu solid . Această afirmație a fost făcută pe baza efectului unei scăderi neașteptate a momentului de inerție a unui pendul de torsiune cu heliu solid. Cu toate acestea, în anii următori, rezultatele experimentelor independente nu au putut confirma această descoperire. Situația cu superfluiditatea în heliul solid a rămas neclară până în 2012 , când s-a demonstrat că interpretarea efectului descoperit ca o tranziție a heliului solid la o stare superfluid a fost eronată.

VAK de specialitate

„Fizica temperaturilor scăzute” (cod de specialitate 01.04.09) este un domeniu al științei fundamentale care studiază fenomenele fizice și stările de materie caracteristice temperaturilor apropiate de zero absolut . Include studii teoretice și experimentale ale structurii și proprietăților materiei în starea fundamentală cuantică și natura fizică și caracteristicile diferitelor excitații elementare , precum și fenomene de cooperare cuantică, cum ar fi superfluiditatea , supraconductibilitatea , condensarea Bose , magnetică, încărcarea și alte tipuri de comanda. [3] Pașaportul de specialitate al Comisiei Superioare de Atestare „Fizica temperaturilor scăzute” prevede următoarele domenii de studiu:

1. Lichide și cristale cuantice .
2. Sisteme supraconductoare, inclusiv supraconductori de temperatură ridicată .
3. Gaze cuantice, condensate Bose-Einstein.
4. Sisteme electronice și fonice puternic corelate.
5. Magnetism la temperatură joasă: structuri magnetice, tranziții de fază, rezonanță magnetică.
6. Sisteme cuantice de dimensiuni joase și sisteme cu dezordine.
7. sisteme mezoscopice.
8. Studiul proprietăților mecanice, electrice, magnetice, optice, termice și alte proprietăți fizice ale materiei la temperaturi scăzute.
9. Dezvoltarea metodelor de obținere și măsurare a temperaturilor scăzute și ultra-scăzute.

Reviste științifice

• „ Fizica temperaturilor scăzute ” a Institutului Fizico-Tehnic de Temperaturi Joase. B. I. Verkina Academia Națională de Științe din Ucraina [4]

Vezi și

• criogenia

Note

1. ↑ Fizica temperaturilor scăzute. Scurtă schiță istorică.  (link indisponibil)
2. ↑ Știință și tehnologie: Fizică/SUPERFLUIDITATE . Data accesului: 30 mai 2010. Arhivat din original la 17 decembrie 2009. (nedefinit)
3. ↑ Pașaportul de specialitate VAK . Consultat la 30 mai 2010. Arhivat din original la 18 septembrie 2010. (nedefinit)
4. ↑ Jurnalul de fizică a temperaturii joase . Consultat la 30 mai 2010. Arhivat din original la 1 iunie 2010. (nedefinit)