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^-8и 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 ,ив приближении Ван-дер-Ваальса.

4.Почему газовая постоянная в критическом состоянии меньше чемR=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