Zmiana własności ciał w temperaturach kriogenicznych.

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Techniki niskotemperaturowe
w Inżynierii Mechaniczno Medycznej
„Zmiana własności ciał w temperaturach kriogenicznych”
Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański
Emilia Banach
Inżynieria mechaniczno medyczna
Sem I stopień II
127571
1. Kriogenika
Kriogenika- słowo to pochodzi od słów greckich "kruos", co oznacza "zimno" i "genos" "pochodzenie" lub "tworzenie„. Jest to dziedzina nauki i techniki zajmująca się badaniem i
wykorzystaniem niskich temperatur, tzw. temperatur kriogenicznych. Istnieje kilka teorii
dotyczących definicji (granicy) temperatur kriogenicznych:
 Przyjmuje się je jako graniczne temperatury niższe od −150 °C (123 K)
 Zaczynają się w temperaturze wrzenia metanu w warunkach atmosferycznych: -162
°C (111 K)
 Obszar gdy osiągamy temperaturę krytyczną gazów nieskraplających się w warunkach
normalnych
Kriogenika znalazła liczne zastosowania w wielu dziedzinach życia, takich jak:

Biologia

Medycyna (chirurgia)

Przemysł spożywczy

Przemysł metalurgiczny

Przemysł chemiczny
Poniższe rysunki przedstawiają przykładowe zastosowania kriotechniki.
Rys. 1.1. Zabieg usunięcia brodawki przy użyciu ciekłego azotu
Rys. 1.2. pojemniki do przechowywania materiału biologicznego.
2. Zmiana własności ciał.
Obniżenie temperatury ciał do wartości kriogenicznych powoduje zmianę wielu jego
własności takich jak: przewodność cieplna, ciepło właściwe, ciepło parowania, entropia,
kruchość, zeszklenie, nadciekłość, nadprzewodnictwo.
a) Ciepło właściwe i ciepło parowania
Ciepło właściwe to ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury ciała o jednostkowej masie
o jedną jednostkę. Ciepło właściwe wszystkich cieczy i ciał stałych zmniejsza się wraz ze
spadkiem temperatury. Natomiast ciepło parowania cieczy mających niski punkt wrzenia jest
bardzo małe. W efekcie każdy napływ ciepła do ciała (znajdującego się w temperaturach
kriogenicznych) powoduje szybsze parowanie co prowadzi do trudności z przechowywaniem
takich cieczy, co wywołuje konieczność mocniejszego izolowania zbiorników.
b) Przewodność cieplna
Przewodność cieplna ciał dąży do zera, gdy temperatura dąży do zera
absolutnego. Wykorzystuje się to do izolacji strat ciepła, gdzie wykorzystuje się takie
materiały, które wykazują bardzo duży spadek przewodności cieplnej w miarę
obniżania temperatury.
c) Entropia
Obniżenie temperatury ciał powoduje także zmniejszenie ich entropii. Następuje
wówczas wzrost uporządkowania układu a co za tym idzie zmniejszenie szumów.
Zjawisko to można wykorzystywać w radiolokacji, w detektorach podczerwieni
(rys.2.1) czy laserach, ponieważ po wyeliminowaniu drgań cząstek (szumów) są one
bardziej dokładne.
Rys. 2.1. Detektor podczerwieni
d) Kruchość metali
Materiały mają tendencję do wzrostu naprężeń przy spadku temperatury, dzieje się
tak ponieważ dochodzi do deformacji materiału poprzez dyslokację i przemieszczania
się cząstek w sieci krystalicznej. Materiał traci wtedy plastyczność i staje się bardziej
kruchy, co eliminuje go z użycia w konstrukcjach kriogenicznych. Na rysunku 2.2
widoczny jest kruchy przełom elementu metalowego, spowodowany obniżeniem
temperatury przedmiotu.
Rys.2.2. Kruchy przełom elementu metalowego.
e) Witryfikacja polimerów i elastomerów
Witryfikacja, inaczej zeszklenie, jest kolejnym zjawiskiem zachodzącym w temperaturach
kriogenicznych. Jest to zjawisko wzrostu kruchości tworzyw sztucznych takich jak polimery
czy elastomery. Znalazło ono zastosowanie w recyklingu np. opon zbrojonych (rys.2.3) lub
przewodów izolowanych- pod wpływem działania na przewód izolowany niskiej temperatury
rośnie kruchość polimerowej izolacji, która następnie w łatwy sposób (np. w wyniku
walcowania) zostaje oddzielona od metalowego przewodu.
Rys.2.3. Recykling opon zbrojonych
f) Nadciekłość
Nadciekłość - stan cieczy, w którym jest ona pozbawiona lepkości. Nadciekłość obserwuje się
w temperaturach niewiele wyższych niż 0 kelwinów (w pobliżu zera bezwzględnego).
obserwowana np. dla helu w temperaturze niższej niż 2,17 K. . Zmiana stanu cieczy z cieczy
lepkiej w nadciekłą i odwrotnie jest przejściem fazowym. Warstwy takiej cieczy płyną bez
tarcia wewnętrznego, czyli bez żadnych strat energii (rys.2.4).
Rys.2.4. Zjawisko nadciekłości Helu
g) Nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo to zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych
metalach, ich stopach oraz w pewnych spiekach ceramicznych (rys.2.5). Materiał, dla którego
zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem. Nadprzewodnictwo
obserwowane jest w niskich temperaturach, mniejszych od pewnej, charakterystycznej dla
danego materiału tzw. temperatury krytycznej Tc (rys.2.6). Temperatura ta zależy od rodzaju
(składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych – ciśnienia
Przyczyną nadprzewodnictwa jest tworzenie się ze swobodnych elektronów tzw. par
Coopera, w temperaturach poniżej tzw. temperatury krytycznej, Pary Coopera, złożone
zawsze z 2 elektronów, tworzą kondensat bozonowy, w którym zajmują stabilny stan o
określonej energii i potrafią poruszać się w sieci krystalicznej bez zmian (strat) energii.
W uproszczeniu można powiedzieć, że jony „nieruchomieją”, a między węzłami sieci
krystalicznej elektrony mogą się poruszać prawie bez przeszkód. Znika więc oporność i
materiał może przewodzić, prawie bez strat, olbrzymie prądy elektryczne.
Rys.2.5. Porównanie zależności oporu elektrycznego od
temperatury dla nadprzewodnika
Rys.2.6. Porównanie zależności oporu elektrycznego od temperatury dla nadprzewodnika i
materiału niewykazujacego własności nadprzweodnych
Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej
objętości pola magnetycznego, zjawisko to nosi nazwę efektu Meissnera (rys.2.7).
Rys.2.7. Nadprzewodnik w zewnętrznym polu magnetycznym
Wypchnięcie pola powoduje utrzymanie w powietrzu innego magnetyka (rys.2.8), co znalazło
zastosowanie przy budowie kolei magnetycznej.
Rys.2.8. Efekt Meissnera
Bibliografia:

M.Chorowski, Kriogenika. Podstawy i zastosowania, Gdańsk 2007

Russell B.ScottTechnika niskich temperatur, Warszawa 1963

http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/ChiK-2011-2012-wyklad-1.pdf