Криогеника. Физика низких температур̎

Статья по физике на тему ̎Криогеника. Физика низких температур̎

Физика низких температур - раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость. Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.

Что же такое холод? Это снег, лёд и температуры ниже 0˚ по Цельсию. Но что такое настоящий холод с точки зрения физики? Это сухой лёд, сжиженные газы и температуры, стремящиеся к абсолютному нулю. Самая нижняя границ - это то, что мы называем абсолютным нулём, ну а в градусах Цельсия - это -273 ˚ С. Такими сверхнизкими температурами занимается особый раздел физики - Криогеника. Вот уже многие годы учёные и инженеры пытаются получить глубокий холод, потому что он способен изменять свойства самых обычных вещей.

Привычный водяной лёд можно получить при температуре чуть ниже 0˚ С, для сухого льда требуется почти -80 ˚С и к воде он не имеет никакого отношения. Если подержать его в руках всего несколько минут, сильное обморожение гарантировано. Сухой лёд - это одно из состояний углекислого газа, он обладает необычными физическими характеристиками, это твёрдый газ и как любой газ он не проводит электричество, его плотность выше, чем у воды и тает сухой лёд не так, как обычный лёд. Он сублимируется, то есть переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Попадая на открытый воздух сухой лёд из углекислоты постепенно превращается в газ и испаряется без следа. Это свойство легло в основу криогенного бластинга (так называется современный метод очистки сложных загрязнений), то есть это на самом деле передовая экологически безопасная технология. В машиностроении чистят литьевые формы, прессовое оборудование, в полиграфии - печатные машины, в пищевой промышленности - ленточные конвейеры печей.

Поверхности гораздо теплее гранул сухого льда, но в технологии бластинга решающую роль играет не это. Вместе со струёй сжатого воздуха сухой лёд вылетает со скоростью 150 км/ч, из-за такой быстроты гранулы сухого льда обладают большой кинетической энергией и когда они ударяются о поверхность энергия кинетическая переходит в тепловую. На поверхности происходит как бы микровзрыв, грязь подхватывается и "уносится". Поверхность остаётся абсолютно чистая, не повреждается.

С точки зрения физики низких температур сухой лёд относительно тёплый, поэтому специалисты по криогенным технологиям долгое время не обращали на него внимание. Криогенная физика всегда связана с жидкими газами, именно они позволяют поддерживать низкие температуры. Азот, аргон и кислород переходят в жидкое состояние при самых низких температурах около -200 ˚С.

Издавна огонь даровал людям тепло, свет и жизнь, а холод нес с собой ужас и смерть. Сотни лет назад люди строили храмы в честь огня, и лишь в середине XX века на Земле появились храмы, воздвигнутые человеком в честь холода. С помощью холода раскрыты такие феномены физики и биологии, которые удивляют, поражают воображение.

Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота начало находить важные применения в медицине. Холод как обезболивающее и противовоспалительное средство используется в народной медицине с незапамятных времён. Процедуры, снижающие температуру тела - холодные компрессы и купания, обкладывания снегом, льдом - применялись в практике всех медицинских школ древности: в Китае и Индии, Византии и на Арабском Востоке, в античной Греции и Риме, Месопотамии и Египте. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и других заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при низких температурах.

Помимо всего прочего, холод является отличным закаливающим средством, повышающим защитные свойства организма. Для укрепления иммунитета совсем необязательно нырять в ледяную воду прорубя или подвергаться другим экстремальным процедурам. Достаточно ежедневно принимать контрастный душ, регулярно посещать бассейн или делать гимнастику на свежем воздухе. Эти процедуры делают организм более устойчивым к различным заболеваниям.

Охлаждение до сверхнизких температур применяется в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц.

В настоящее время большого внимания заслуживает использование технологии криоконсервирования генетического материала (в животноводстве), технология замедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературной обработки (растениеводство). Созданы хранилища, позволяющие длительное время сберегать кровь, материнское молоко, спинной мозг и другие живые биологические ткани.

Производство искусственного холода находит все расширяющееся применение во многих отраслях народного хозяйства:

• в пищевой промышленности холодильные установки обеспечивают длительное хранение скоропортящихся продуктов;

• в химической промышленности искусственный холод применяют для разделения жидких и газовых смесей и получения чистых продуктов (например, этилена, пропана, пропилена из нефти и природного газа), при производстве многих синтетических материалов (спирта, каучука, пластмасс, волокон и др.). При производстве аммиака и азотных удобрений, для отвода теплоты химических реакций;

• в машиностроении для низкотемпературной закалки металлов и холодной посадки;

• в строительстве для замораживания грунтов при выполнении строительных работ в водоносных слоях (например, при строительстве метро), для охлаждения бетона при строительстве плотин гидростанций;

• на транспорте для перевозки скоропортящихся продуктов;

• в торговле, общественном питании и в быту.

В годы Великой Отечественной войны обострился интерес к криогенике. Это было вызвано созданием нового вида оружия, новой военной техники, которая представляет собой ракетную технику.

Тесная взаимосвязь физических, химических и биологических явлений позволяет утверждать, что исследование эффекта криовоздействия в любой конкретной области может привести к фундаментальным открытиям, что, в свою очередь, необходимо для создания технологии будущего.