ТЕХНІКА НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР - PDF

Description
1 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н.КАРАЗІНА В.С.КРИЛОВСЬКИЙ, В.І.БІЛЕЦЬКИЙ ТЕХНІКА НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР Навчальний посібник Харків УДК (075.8)

Please download to get full document.

View again

of 86
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Calendars

Publish on:

Views: 14 | Pages: 86

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
1 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н.КАРАЗІНА В.С.КРИЛОВСЬКИЙ, В.І.БІЛЕЦЬКИЙ ТЕХНІКА НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР Навчальний посібник Харків 2009 2 УДК (075.8) фіз. низьк. т. ББК 22.36я73 К85 Криловський В.С., Білецький В.І. Техніка низьких температур; Навчально метод. посібник. Х.: ХНУ імені В.Н.Каразіна, 2009 р. - Викладений основний зміст курсів «Вступ до спеціальності» і «Техніка низьких температур», що пропонуються студентам ІІІ курсу фізичного факультету, які спеціалізуються в галузі фізики низьких температур. Розглянуті методи отримання низьких температур, низькотемпературна термометрія, основні методи і лабораторне устаткування для проведення вимірювань в області низьких температур. Список посилань: 21 назв. Рекомендовано до друку Вченою радою фізичного факультету Протокол 3 від року. Харківський національний університет імені В.Н.Каразіна 3 Передмова Фізика низьких температур (або більш точно низькотемпературна фізика), яка виникла трохи більше 100 років тому, спочатку зосередилася на досягненні температур можливо найбільш близьких до абсолютного нуля. Поступово ця галузь науки перетворилася в потужний інструмент дослідження фундаментальних квантових властивостей матерії. Не випадково вагома частка нобелівських лауреатів одержала премії саме за внесок у фізику низьких температур. Ряд таких відкриттів був настільки незвичайним, що потрібно було багато років для їхнього теоретичного тлумачення. Досить сказати, що аж до теперішнього часу усе ще немає єдиної думки про механізм виникнення високотемпературної надпровідності, відкритої в 1986 році. Підготовка фахівців у цій галузі передбачає не тільки загальнофізичні знання, але й специфічні навички з техніки одержання й використання низьких температур. Це досить складні експериментальні установки, у яких електричні й механічні вузли повинні працювати при температурах, близьких до абсолютного нуля. Існує досить великий перелік спеціальної літератури, присвяченої техніці низьких температур. Однак, в основному, це перекладна література х років минулого сторіччя, видана вкрай обмеженими накладами, яка у багатьох випадках являє бібліографічну рідкість. Значний об'єм журналів Прилади для наукових досліджень (Росія), Rev. оf Scientific Instruments (США) і спеціалізований журнал Cryogenics (Голландія) присвячений методам фізики низьких температур, однак доступність цих журналів, на жаль, обмежена. 4 У даному методичному посібнику зроблена спроба викласти той безумовний мінімум технічних відомостей, що необхідний студентові, який спеціалізується в області фізики низьких температур. У переліку використаних літературних джерел наведена більшість відомих авторам видань за останні 50 років, присвячених розглянутим питанням. Обмежений об'єм посібника не дає можливості досить докладно зупинятися на кожній темі і, як ми сподіваємося, при самостійній роботі студентів буде основою для пошуків більш докладної інформації. 1. Історичний огляд Історію фізики низьких температур [1], очевидно, варто почати з відкриття Гийомом Амонтоном в 1702 році лінійної залежності тиску газу від температури при постійному об'ємі, що дозволило вперше порушити питання про деяку мінімальну температуру в природі, тобто про абсолютний нуль температури. Через століття в 1797 році цей результат більш строго був сформульований Шарлем, що визначив точне значення коефіцієнта в лінійній залежності 1/273. У такий спосіб абсолютним нулем була названа температура 273 o C. Але потрібне було ще ціле ХІХ століття, щоб фізична наука дала чіткі концепції шляхів реалізації процесів охолодження, а техніка одержання низьких температур дозволила наблизитися до цієї температури. Модель теплорода, що панувала в XVIII столітті, поступово поступилася на початку ХІХ століття кінетичній теорії. А аналіз основної роботи Сааді Карно, присвяченої тепловій машині, показав, що в теплових процесах (циклах) зберігається не теплота, а деяка інша величина, яку пізніше назвали ентропією. Найбільш вражаючі результати дав так званий термодинамічний підхід, що дозволив системою рівнянь зв'язати 5 макроскопічні параметри газу: температуру, об'єм і тиск із ентропією, кількістю отриманої теплоти й роботою, вчиненою системою в різних процесах, які можуть протікати з даною кількістю газу. На підставі як кінетичної теорії, так і термодинамічного підходу (зворотний цикл Карно) легко бачити, що якщо газ при розширенні чинить роботу, то він повинен охолоджуватися. І хоча холодильні пристрої, які використовували зворотний (холодильний) цикл теплової машини з робочим газом на основі вуглеводнів, з'явилися вже в 1879 році, тільки в 1887 році Сольвей у Німеччині спробував скрапити повітря в поршневій машині розширення (детандері). І тільки в 1902 році Клод у Франції побудував перший скраплювач з поршневим детандером, що працює при температурі температурі кипіння рідкого азоту. 196 o C, Однак перший успіх у зрідженні кисню був досягнутий іншим шляхом. Ще Фарадеєм в 1823 році був відзначений зв'язок між тиском і температурою в процесі зрідження газу. Ці дослідження показали, що можливий шлях одержання рідких газів охолодження об'єму, який обіймає газ під високим тиском до можливо більш низької температури. І дійсно таким шляхом удалося перевести в рідкий стан багато газів: вуглекислий газ, аміак, сірководень, ряд газів вуглеводневого циклу («болотні» гази). Однак основні компоненти атмосфери Землі: азот, кисень і водень таким способом скрапити не вдавалося, що дало привід віднести їх до так званих «сталих» газів. Починаючи з робіт Каньяра (1822 рік) поступово прийшло розуміння умов рівноваги газ - рідина і було сформульоване уявлення про критичний стан, тобто про таку температуру, вище якої ніяким зовнішнім тиском газ неможливо перевести до рідкого стану. Найбільш повні експериментальні дослідження були виконані в роках Томасом Эндрюсом. Досліджуючи ізотермічні процеси в газах при різних температурах, він побудував діаграми стану рідина пара. Теоретично ці дослідження 6 одержали обґрунтування в роботах Ван дер Ваальса, якому вдалося представити досить просте рівняння стану реальних газів, що дозволяло на основі експерименту оцінити критичні параметри кривої рівноваги рідина - пара. Першими в 1877 році в процесі стиснення одержати рідкий кисень вдалося практично одночасно Кальєте у Франції і Пікте у Швейцарії. Однак аналізуючи їхні експерименти легко побачити, що в дійсності вони не досягли критичної температури стислого газу, а хмарка рідкого повітря в їхніх експериментах пов'язана з раптовим розширенням газу з установки в «порожнечу». Їхні експерименти дивно нагадували експерименти Джоуля й Томпсона (1852 рік), у яких також спостерігали скраплення газу при витіканні з вузького отвору (сопла). Цей спосіб також знайшов пояснення в рамках моделі Ван дер Ваальса й одержав згодом назву метод охолодження Джоуля Томпсона. В 1883 році Ольшевський і Вроблевський у Варшаві, вже знаючи 0 критичні параметри кисню ( t крит 118 С і Р крит = 50 атм.) змогли шляхом стиснення перевести спочатку кисень, а потім і азот у рідкий стан у кількостях, достатніх для проведення подальших досліджень. Цей рік і можна вважати початком експериментальних досліджень в області низьких температур. Однак дослідження показали, що з погляду холодопродуктивності найбільш перспективним є метод охолодження з використанням зворотного теплового циклу. Цей цикл Лінде Хемпсона за участю теплообмінників з 1895 року успішно використовується для скраплення газів у промислових кількостях. Радикальним удосконаленням цього методу з'явилося застосування П.Л. Капіцею в 1932 році турбіни, у якій відбувається розширення газу при здійсненні роботи. І аж до теперішнього часу повітряні турбодетандери основа промислових установок зрідження повітря. 7 Подальший прогрес в опануванні низьких температур пов'язаний з ім'ям Джеймса Дюара. В 1893 році в Лондоні він продемонстрував посудину для зберігання рідких газів (ми тепер називаємо її посудиною Дюара). Його конструкція збереглася практично незмінною до наших днів удосконалювалась тільки технологія виготовлення цих посудин. Маючи в розпорядженні таку посудину, можна було приступати до спроб зрідження водню газу, теплота випарювання якого в рідкому стані повинна бути майже в 4 рази меншою, ніж у кисню. В 1896 році Дюар приступився до робіт зі зрідження водню на установці, що використовувала метод Джоуля Томпсона. Цей метод і досі є основним в установках для зрідження водню й гелію, тому що не вимагає механічних пристроїв, що рухаються, при наднизьких температурах. Через два роки, в 1898 році Дюар уперше у світі одержав перші 20 мілілітрів рідкого водню. На межі XIX й XX століть світовим центром фізики низьких температур став Лейденський університет у Голландії і його знаменита лабораторія, яку очолював Камерлінг Онес. Йому вдалося створити розвинену науково-технічну інфраструктуру, що дозволила приступитися до зрідження останнього відомого газу гелію. Оцінки показували, що критична температура гелію становила всього кілька Кельвінів, тобто порядку С С. Їм була побудована каскадна зріджувальна установка, у якій гелій послідовно охолоджувався рідким азотом, а потім воднем. Гелієвий щабель працював на циклі Джоуля Томпсона. І от в 1908 році вперше було отримано 10 мілілітрів рідкого гелію. Термін «сталий газ» зник з фізики низьких температур. У перших же експериментах шляхом відкачки пари гелію була досягнута температура 1,5К, а потім, удосконалюючи насоси, й діапазон низьких температур. 0,8К. Фізикам став доступний практично весь 8 Тільки через півсторіччя, в 1953 році, використовуючи легкий ізотоп 3 гелію Не, що був продуктом реакцій в атомних реакторах і став доступний у необхідних кількостях, фізикам вдалося одержати шляхом зрідження й відкачки пари температуру близько 0,25К. Однак ще в 1926 році Дебаєм і Джіоком незалежно був запропонований зовсім інший метод одержання наднизьких температур адіабатичне розмагнічування. В основі методу лежить можливість керування за допомогою зовнішнього магнітного поля ентропією «газу» магнітних моментів у парамагнітних солях. А оскільки закони термодинаміки універсальні, то, у цілому, результати аналогічні тим, які отримані при керуванні ентропією звичайних газів шляхом створення зовнішнього тиску й наступного розширення в адіабатичних умовах. І, нарешті, слід зазначити запропонований в 1962 році метод 3 розчинення Не 4 в Не, у якому «керування» ентропією засноване на тому, що ізотопи гелію підкоряються різним квантовим статистикам, і як наслідок температурна залежність їхньої питомої ентропії також різна. Дослідження в області низьких температур дозволили відкрити такі фундаментальні явища, як надпровідність, надплинність, вивчити енергетичну структуру металів і напівпровідників, з'явилися потужним стимулом для розвитку квантової теорії. У теперешній час саме низькотемпературні ефекти є основою метрології й засобом уточнення світових констант, на основі низькотемпературних пристроїв створені найбільш чутливі методи вимірів. І, нарешті, можливі
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks