Zmiana własności ciał w temperaturach kriogenicznych.

Małgorzata Matuszak
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
Gr. 2
”Zmiana własności ciał
w temperaturach
kriogenicznych.”
Trudno ustalić konkretną temperaturę będącą początkiem dla kriogeniki. Jedna z teorii
jest taka, że technika niskich temperatur obejmuje obszar temperaturowy osiągalny przy
skraplaniu tych gazów, których temperatury krytyczne są niższe od temperatur ziemskich.
Drugim wariantem są temperatury niższe niż 111,1K, czyli normalnej temperatury wrzenia
metanu. Jednak głównym założeniem, zgodnym z konwencją przyjętą przez Międzynarodowy
Instytut Chłodnictwa jest przyjęcie jako górnej granicy równej 120K (-150 °C) [5].
Charakterystyczna dla tak niskich temperatur jest zmiana wielu własności ciał. Są to:
a) rozszerzalność cieplna;
b) przewodność cieplna;
c) ciepło właściwe;
d) ciepło parowania;
e) entropia;
f) nadciekłość;
g) kruchość;
h) ciągliwość;
i) zeszklenie;
j) nadprzewodnictwo.
Wraz z obniżeniem temperatury zmieniają się wymiary materiałów. Własność tę
wykorzystuje się do wielu zastosowań, np. [4]:
• wykonywanie połączeń skurczowych po oziębieniu jednej z łączonych części.
• transport gazów technicznych w postaci ciekłej
• czynnik nośny do balonów i sterowców
Często zmienia się również stan skupienia. Do pomiaru bardzo niskich temperatur nie
można stosować termometrów rtęciowych, gdyż rtęć krzepnie w -38 °C.
Przewodnictwo cieplne ciał dąży do zera, gdy temperatura zbliża się do zera
absolutnego. Tę tendencję wykorzystuje się do izolacji od strat zimna. Wybiera się te
materiały, które w miarę obniżania temperatury wykazują bardzo duży spadek przewodności
cieplnej.
Korzystne działanie temperatur kriogenicznych na wymianę ciepła stanowi również
zależność energii promieniowania od czwartej potęgi temperatury. W takich warunkach
wartość temperatury jest bardzo mała, zatem i wpływ promieniowania maleje [2].
Ciepło właściwe wszystkich cieczy i ciał stałych, czyli ciepło potrzebne do
zwiększenia temperatury ciała o jednostkowej masie o jedną jednostkę, zmniejsza się wraz ze
spadkiem temperatury [1].
Natomiast ciepło parowania cieczy mających niski punkt wrzenia jest bardzo małe.
Prowadzi to do konieczności przechowywania ich wyłącznie w naczyniach doskonale
izolowanych (najlepszym izolatorem jest próżnia). W przypadku ciekłego helu bardzo małe
ciepło parowania daje niewielki efekt chłodzenia [1].
Obniżeniu temperatury ciał towarzyszy zmniejszenie ich entropii, czyli miary stopnia
nieuporządkowania układu. Zanikają szumy wewnętrzne. Zjawisko to wykorzystuje się w
radiokomunikacji, detektorach podczerwieni i laserach [5].
Nadciekłość (całkowity zanik lepkości) - ciecz dąży do wyrównania poziomów nawet
wbrew prawu ciążenia. Najlepszym przykładem jest hel, który osiąga stan nadciekły poniżej
2,17K. Służy on do kriostatowania (chłodzenia) magnesów wysokopolowych oraz wnęk
rezonansowych o wysokiej częstotliwości np. w akceleratorach cząstek [4].
W niskich temperaturach niektóre materiały konstrukcyjne stają się bardzo kruche,
np. stal węglowa. Nie należy ich stosować do instalacji kriogenicznych ze względu na to, że
nie wykazują one trwałego odkształcenia poprzedzającego pęknięcie. Metale, które
zachowują ciągliwość mimo obniżania temperatury maja sieć krystaliczną płasko centrowaną,
ułatwiającą dyslokacje. Przykładami są: aluminium i jego stopy, miedź, stale austenityczne i
stal nierdzewna. Ciągliwość materiału można być określona na podstawie testu Champy’ego.
Przyjmuje się, że materiały, które w teście wykazały odporność większą niż 20Nm mogą być
stosowane w konstrukcjach kriogenicznych [4].
Często Stosuje się tzw. obróbkę podzerową (umieszczenie przedmiotu w komorze
zasilanej ciekłym azotem) w celu uzyskania wysokiej twardości materiału, redukcji naprężęń
wewnętrznych, wytrącenie węglików lub poprawa struktury krystalicznej. Przy obniżaniu
temperatury należy zwrócić uwagę na możliwość wystąpienia skurczy termicznych [4].
Kolejnym zjawiskiem jakie zachodzi w temperaturach kriogenicznych jest zeszklenie
(witryfikacja) polimerów i elastomerów, które powoduje wzrost kruchości. Znalazło to
zastosowanie w recyklingu opon zbrojonych i przewodów izolacyjnych [3]. Nie zawsze efekt
zeszklenia jest czymś pozytywnym, jak np. podczas zamrażania tkanek. Stosuje się wówczas
krioprotektanty (np. glicerol). Obniżają one temperaturę zeszklenia zamrażanego obiektu,
poniżej temperatury topnienia, lub w ogóle mu zapobiegają.
Czyste metale w niskich temperaturach wykazują bardzo małe oporności elektryczne.
Niektóre z nich poniżej określonej temperatury (temperatura krytyczna) posiadają oporność
zerową, a zjawisko takie nazywamy nadprzewodnictwem [1].
Nadprzewodniki możemy spotkać w akceleratorach cząstek lub w rezonansie
magnetycznym. Rezonans ten polega na wykrywaniu protonów w badanym narządzie. Do
wysyłania promieniowania elektromagnetycznego pobudza protony silne pole
elektromagnetyczne generowane przez magnes nadprzewodzący. Dzięki temu mamy
trójwymiarowe obrazy wybranych przekrojów narządów.
Nadprzewodniki można traktować jako doskonałe diamagnetyki, gdyż wypierają linie
pola magnetycznego. Jest to tzw. efekt Meissnera (lewitacja magnetyczna). Przykładem
zastosowania jest kolej magnetyczna w Japonii [5].
Bibliografia:
[1] B. Russel, Scott: Technika niskich temperatur; WNT; Warszawa 1963
[2] B. Stefanowski: Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania
gazów; PWN; Warszawa 1964
[3] M. Chorowski, J. Poliński: Technologie kriogeniczne w recyklingu; dostępne na:
http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/dyd.htm
[4] M. Chorowski: Kriogenika – Podstawy i zastosowania; Wydawnictwo I.P.P.U. MASTA;
Gdańsk 2007
[5] M. Chorowski: Kriogenika w zastosowaniach przemysłowych, medycznych i
badawczych, dostępne na: http://www.klimatyzacja.pl