Inne metody uzyskiwania temperatur kriogenicznych

Inne metody uzyskiwania temperatur
kriogenicznych



Omówione dotychczas procesy służące obniżaniu temperatury
substancji dotyczyły gazów.
Gazy są czynnikami roboczymi znakomitej większości chłodziarek
kriogenicznych, niemniej jednak w niektórych przypadkach stosuje się
ciała stałe, wykorzystując ich własności magnetyczne lub elektryczne.
W kriogenice szczególnie istotne są procesy zachodzące w
paramagnetykach, gdyż pozwalają zarówno na osiąganie bardzo niskich
temperatur poniżej 1 K, jak i chłodziarki magnetyczne są obecnie
intensywnie badane w wyższych temperaturach.
Rozmagnesowanie adiabatyczne



Rozmagnesowanie adiabatyczne to metoda oziębiania, która jest
stosowana głównie w celu osiągnięcia temperatury poniżej 1 Kelwina.
W metodzie tej wyzyskuje się zjawisko polegające na zmianie
temperatury magnetyka wskutek zmian pola magnetycznego, w
którym się on znajduje.
Ze względu na własności magnetyczne ciała można podzielić na:
 Diamagnetyki,
 Paramagnetyki
 Ferromagnetyki.
Diamagnetyki



Diamagnetyzm - zjawisko polegające na indukcji w ciele, znajdującym
się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego
działanie zewnętrznego pola.
Diamagnetyki samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych i są
odpychane przez magnes. Umieszczenie diamagnetyka w zewnętrznym
polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola
magnetycznego skierowanego przeciwnie.
Dla tych ciał względna przenikalność magnetyczna μ ośrodka jest nieco
mniejsza od jedności (diamagnetyki nieznacznie osłabiają pole
magnetyczne)
Paramagnetyki


Paramagnetyzm - zjawisko magnesowania się makroskopowego ciała w
zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem
pola zewnętrznego.
Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk, jest on
przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk.
Paramagnetyki



W paramagnetykach atomy lub cząsteczki maja własne momenty
magnetyczne, lecz oddziaływania pomiędzy tymi momentami są bardzo
słabe i z powodu fluktuacji cieplnych wypadkowy moment magnetyczny
paramagnetyków jest równy zeru.
Przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego prowadzi do
uporządkowania momentów magnetycznych i powstania momentu
wypadkowego, zgodnego z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego.
W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól
magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową wielkość
namagnesowania od pola zewnętrznego.
Paramagnetyzm

Dla Paramagnetyków i diamagnetyków prawdziwy jest związek:
M  H





M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości
substancji)
χ - objętościowa podatność magnetyczna
H - natężenie pola magnetycznego.
Przyczyną paramagnetyzmu jest porządkowanie się spinów elektronów
ciała zgodnie z liniami zewnętrznego pola magnetycznego
Uporządkowaniu przeciwdziałają drgania cieplne cząsteczek.
Ferromagnetyzm



Ferromagnetyzm – zjawisko, w którym materia wykazuje własne,
spontaniczne namagnesowanie.
Jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań
spotykanych w życiu codziennym.
Jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych - jak i
zauważalnego przyciągania innych ferromagnetycznych metali przez
magnesy trwałe.
Rozmagnesowanie adiabatyczne

Elementarna praca namagnesowania substancji ferromagnetycznej lub
paramagnetycznej jest równa:
dLM  0 HdM
µ0 - przenikalność magnetyczna próżni [weber/Am lubVs/Am],
H - natężenia pola magnetycznego [A/m],
M - wektor namagnesowania [A/m2]
dU  TdS  pdV  0 HdM
Pomijamy, zaniedbując zmiany objętości podczas magnesowania
Rozmagnesowanie adiabatyczne





T < 0,3 K – adiabatyczne rozmagnesowanie spinów elektronów soli
paramagnetycznych – osiąga się temperatury do 1 mK
Metoda ta została zaproponowana już w 1926 przez Debye
Temperatury rzędu 1 μK można osiągnąć poprzez adiabatyczne
rozmagnesowanie spinów jąder atomowych
W 1965 r. Kurti osiągnął temp. 1,2x10-6K rozmagnesowując jądra miedzi
T = 280 pK uzyskał Hakonen dla izotopu rodu 103Rh w 1993r
Rozmagnesowanie adiabatyczne

Entropia paramagnetyków zależy nie tylko od fluktuacji cieplnych
cząsteczek lecz również od ich orientacji.
S  S (T , H )
H - natężenie pola magnetycznego,
A-B - izotermiczne namagnesowanie,
B-C – adiabatyczne rozmagnesowanie.
q  Tm (S A  S B )
Rozmagnesowanie adiabatyczne
Jeśli S = S(T, H), to różniczka zupełna S wyniesie:
 S 
 S 
dS  
 dT  
 dH  0
 T  X
 H T
Zatem różniczkowy współczynnik efektu magnetokalorycznego będzie
wynosił:
 S 


 dT 
 H T
s  
 
 S 
 dH  S


 T  X
Rozmagnesowanie adiabatyczne
Na podstawie wzorów dla uogólnionego procesu oziębiania
wewnętrznego:
 Y 
T

dT

T



X
S  
 
cX
 dX  S
 S 
 M 
T

T


0 
dT

H

T



T

H
S  

 
cH
cH
 dH  S
M  H
W przypadku diamagnetyków χ < 0 oraz (∂χ / ∂T ) = 0 , więc
rozmagnesowanie diamagnetyków nie prowadzi do zmiany ich
temperatury
Rozmagnesowanie adiabatyczne
Korzystając z prawa Curie:

C
T
C – stała zależna od rodzaju substancji (stała Curie)
Otrzymamy zależność:
A po przekształceniu:
s 
 0CH
cH T
Tk  T0 1 
cH T02
 0CH 2
 M 
Q  T 
 
T  H
2T
0
H
Wydajność chłodniczą wyznaczamy
 0CH 0 2
Rozmagnesowanie adiabatyczne
a – wstępne chłodzenie próbki, b – izotermiczne namagnesowanie, c – usunięcie gazu
pośredniczącego w wymianie ciepła, d – rozmagnesowanie adiabatyczne; 1 – substancja
paramagnetyczna, 2 – naczynie z próbką, 3 – zawór pozwalający na usunięcie gazu
pośredniczącego w wymianie ciepła, 4 – magnes, 5 – zawór.
Chłodziarka magnetyczna
1 – blok miedziany ziębiony chłodziarką
McMahona,
2 - magnes nadprzewodzący pracujący w sposób
ciągły,
3 - izolacja próżniowa,
4 - magnetyk (GGG),
5 - tłok,
6 - miernik poziomu
Zadania urządzeń i systemów kriogenicznych:






Kriostatowanie - termostatowanie w przypadku temperatur niższych niż
120 K
Oziębianie do temperatur kriogenicznych
Skraplanie gazów
Rozdział mieszanin gazowych
Zarówno kriostatowanie różnych obiektów, jak też ich oziębianie do
temperatur kriogenicznych można realizować posługując się
skroplonymi gazami
Podstawowym procesem realizowanych w urządzeniach kriogenicznych
jest skraplanie gazów, niezależnie od tego czy urządzenia te pracują one
jako chłodziarki, skraplarki czy też służą rozdzielaniu mieszanin gazów.
Energochłonność układów kriogenicznych




urządzenia kriogeniczne są energochłonne i nawet, jeżeli procesy w nich
zachodzące są rozważane są jako odwracalne,
W każdym przypadku pracę urządzenia kriogenicznego można traktować
jako składającą się z dwóch części: minimalnej pracy koniecznej do
realizacji procesu idealnego Wmin oraz nadwyżki pracy ΔW wynikającej z
nieodwracalności zachodzących przemian termodynamicznych.
Wartość dodatkowej pracy ΔW ponad prace minimalną Wmin jest w
urządzeniach kriogenicznych istotna i z reguły stosunek ΔW / Wmin
należy do przedziału 1,5 - 10.
Określenie pracy minimalnej pozwala na ocenę i porównanie ze sobą
rzeczywistych urządzeń kriogenicznych.
Idealny proces skraplania gazów.
Praca minimalna.
Izentropowe rozprężanie gazu z wykonaniem pracy zewnętrznej. Odwracalny
proces skraplania gazu w układzie T-s.
sprężanie izotermicz ne
1 2
Q  T ( s1  s2 )
l  Q  H  T ( s1  s2 )  (h1  h2 )
rozprężanie izentropowe
2 f
lr  (h2  h1 )
ogrzewanie izotermicz ne prowadzące
do odparowania gazu
f 3
3 1
Q  (h1  h f )
lmin  T0 ( s1  s f )  (h1  h f )
Idealny proces skraplania gazów. Praca
minimalna.
Skroplić gaz można natomiast również w ten sposób, że oziębia się go izobarycznie od
temperatury otoczenia do temperatury wrzenia i następnie odprowadza się przy stałej
temperaturze ciepło kondensacji.
b)
a)
Proces oziębiania i skraplania gazu w wymienniku ciepła, a - wykres T-s, b - schemat
techniczny urządzenia, C - sprężarka, E - rozprężarka, HE - wymiennik ciepła.
Idealny a rzeczywisty proces skraplania



Idealny proces skraplania gazu (rysunek/układ z poprzedniego slajdu)
zakłada, że ciepło jest odbierane od skraplanego gazu w całym przedziale
temperatur To - Tf w ten sposób, że nie występują różnice temperatur
pomiędzy gazem skraplanym i czynnikiem obiegowym chłodziarki.
Oznacza to, że chłodziarka taka powinna rozwijać moc chłodniczą w
całym przedziale temperatur od temperatury otoczenia To do
temperatury wrzenia gazu Tf – jest to niemożliwe do osiągnięcia
Jeżeli do skraplania gazu została by użyta chłodziarka pracująca w cyklu
Carnot'a i rozwijająca całą moc chłodniczą w najniższej temperaturze Tf,
to praca konieczna do skroplenia gazu byłaby wyższa od pracy
minimalnej
Skraplanie gazu - porównanie
Porównanie procesów skraplania gazu przy zastosowaniu obiegu Carnot'a oraz obiegu z
nieizotermicznym dolnym źródłem ciepła charakteryzującym się minimalną pracą skraplania.



Pole 1-2-f-3-1 na rysunku 3 odpowiada minimalnej pracy skraplania,
Pole 5-1-2-f-3-4-5 odpowiada pracy obiegu Carnot'a.
Wydajności chłodnicze obu obiegów są jednakowe i równe
odpowiednio polom: 1-3-f-a-b-c-1 w przypadku obiegu o minimalnej
pracy skraplania oraz 4-3-f-a-b-c-d-4 w przypadku obiegu Carnot'a.
Minimalna Wmin oraz rzeczywista W praca
skroplenia gazów kriogenicznych
Gaz
h1 - hf
W
Wmin
kJ/kg
kWh / kg
kWh / l
kWh / kg
kWh / l
Hel
1563
1,9
0,237
16-32
2-4
Wodór
3953
3,4
0,238
22-42
1,5–3,0
Neon
368,6
0,372
0,445
3,5–5,5
3–4,5
Azot
433,3
0,213
0,172
1,2–1,8
1–1,5
Powietrze
428,3
0,205
0,179
1,2–1,8
1–1,5
Argon
273,1
0,134
0,186
0,8-1
1,1–1,4
Tlen
406,9
0,177
0,202
1–1,5
1,2–1,7
Metan
912,7
0,307
0,13
0,6-1
0,25-0,5
Hel – największe różnice między Wmin i Wrzeczywiste
Metan - najmniejsze
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej



Potraktujmy wielostopniową skraplarkę jako złożoną z wielu obiegów
Carnot'a wytwarzających moc chłodniczą na poziomach temperatur
T1, T2 ... Ti, ...Tx.
Wszystkie obiegi pracują pomiędzy temperaturą otoczenia a
odpowiednio temperaturą
T1, T2 ... Ti, ...Tx.
W i-tym stopniu od skraplanego gazu odbierane jest ciepło Qi w ilości:
Qi  c p (Ti  Ti 1 )
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej
 Praca Wi oraz,
 Efektywność chłodnicza i-tego stopnia ε są równe:
T0  Ti 1
Wi  c p (Ti  Ti 1 )
Ti 1
Q1  mc p (T0  T1 )
T1
1 
To  T1
Ti 1
i 
To  Ti 1
Q2  mc p (T1  Tx )
Tx
2 
To  Tx
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej
Efektywności chłodnicze obu stopni Q/W będą odpowiednio równe:
T1
1 
To  T1
Tx
2 
To  Tx
Jednostkowe prace obu stopni są równe:
W1 
c p (T0  T1 )(T0  T1 )
T1
W2 
Całkowita praca dwustopniowego obiegu jest równa:
W  W1  W2
c p (T1  Tx )(T0  Tx )
Tx
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej

Po obliczeniu pochodnej dW/dT i przyrównaniu jej do zera otrzymuje się:
T0 T1

T1 Tx

po przekształceniach
T1  T0Tx
Podobnie można pokazać, że dla dowolnych dwóch sąsiednich stopni
wielostopniowego kaskadowego urządzenia kriogenicznego powinien
być spełniony warunek
Ti 1 Ti

Ti
Ti 1
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej

Poprzednie równanie wynika z policzenia sumy prac Wi oraz W i+1 oraz
przyrównania pochodnej tej sumy względem Ti do zera:
 (Wi  Wi 1 )
0
Ti

Uogólniając powyższe równania można napisać, że poziom temperatury
w n – stopniowym urządzeniu kriogenicznym powinny zostać wybrane
w taki sposób, aby spełniony był następujący warunek:
T0 T1
T
T
  ...  i  i 1  ...  A  const
T1 T2
Ti 1 Ti  2
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej

Mnożąc przez siebie wszystkie ułamki tworzące prawą stronę wyrażenia,
uzyskuje się:
T0
 An
Tx

T0
oraz
 Ai
Ti
Po przekształceniu i wyrugowaniu A otrzymuje się:
n 1
Ti  n T0 Tx
i
,
Ti
T
n 0
Ti 1
Tx
Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej
skraplarki kriogenicznej

Po podstawieniach otrzymuje się wyrażenie pozwalające na obliczenie
pracy dostarczonej do i –tego stopnia obiegu:
Wi  c pT0 n


T0
 1  1  n

Tx

 Tx 
 
 T0 
i 1




Całkowita praca obiegu wielostopniowego o n stopniach jest równa:
n
W  Wi  c pT0 n
i 1

T0
 1   1  n
Tx
i 1 

n
 Tx 
 
 T0 
i 1
 
   T0  1r
  Tx 

Pomiary Temperatury
Temperatura

Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań
wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.
2 E 
T
fk B

<E>
f
kB
- średnia energia kinetyczna pojedynczej cząstki
– liczba stopni swobody
– stała Boltzmana
Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie
nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to
następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o
niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.
Skala temperatur

W celu określenia wartości temperatury konieczne jest przyjęcie jakiejś
skali.

Gdańszczanin Fahrenheit za punkt zerowy swojej skali wybrał najniższą temperaturę
zimy 1708/1709 w swoim rodzinnym mieście, a za 100° wybrał temperaturę swojego
ciała. W późniejszym okresie za 0°F przyjęto temperaturę mieszaniny wody i lodu z
salmiakiem lub solą a za 32°F temperaturę mieszaniny wody i lodu.
Skala temperatur



Celsjusz (1742 r.) zaproponował jako zero temperaturę wrzenia wody a
jako sto stopni wybrał punkt, w którym woda zamarza, następnie
przedział ten podzielił na sto równych części.
W późniejszym okresie skalę tę odwrócono i w takiej postaci jest
stosowana do dzisiaj.
W celu uściślenia definicji przyjęto następnie dwa charakterystyczne
punkty stałe; punkt potrójny wody (lód, woda i para pozostające w stanie
równowagi, T=0,01°C i 611,73 Pa) i wrzenia wody.
Skala temperatur



Skale te nazywane są empirycznymi, ponieważ oparte są na określonych
własnościach termometrycznych ciał.
W zastosowaniach naukowych najbardziej rozpowszechniona jest skala
Kelvina (1847 r.).
Jest ona tzw. skalą absolutną, oznacza to, że zero jest najniższą
teoretyczną temperaturą, w której ustają wszelkie drgania i ruchy
cząsteczek.
Przeliczanie Temperatury:

Używana w Polsce i wielu innych krajach Europy skala to stopnie Celsjusza
oznaczane °C, przy przeliczaniu ich na stopnie Kalwina możemy posłużyć
się wzorem:
T[K] = T[°C] + 273.15

W USA, w dalszym ciągu używa się stopni Fahrenheita. W tej skali
temperatura zamarzania wody jest równa 32 °F a wrzenia 212 °F. Wzór
przeliczający stopnie Fahrenheita na stopnie Celsjusza:
T[°C] = (5/9) · (tF[°F] - 32)
Zakres stosowania przyrządów do pomiaru
temperatury
Sposoby pomiaru Temperatury:

Pomiar dotykowy –czujnik
(termometr) styka się z obiektem,
którego temperaturę mierzymy.

Pomiar bezdotykowy-poprzez
pomiar parametrów
promieniowania
elektromagnetycznego
emitowanego przez rozgrzane
ciało, lub emitowanej energii przez
obiekt.
Termometry rozszerzalnościowe

Termometry tego typu pracują w oparciu o zmianę objętości
gazów, cieczy i zmian wymiarów ciał stałych wraz ze zmianą
temperatury.

Najbardziej rozpowszechnionymi termometrami
rozszerzalnościowymi są termometry cieczowe.
Termometry rozszerzalnościowe
Ciecze termometryczne powinny charakteryzować się:
 niezmiennością własności fizycznych i chemicznych w czasie,
 niezmiennością cieplnego współczynnika rozszerzalności objętościowej w funkcji
temperatury,
 niską temperatura krzepnięcia,
 wysoką temperatura wrzenia,
 niezwilżalnośćią szkła.
Termometry dylatacyjne

Termometry tego typu zbudowane
są z dwóch elementów o różnych
współczynnikach rozszerzalności.
Termometry bimetalowe


Termometry bimetalowe składają się z elementów o różnej
rozszerzalności liniowej.
Wykonuje się je w postaci taśm, które są ze sobą połączone na całej
długości, najczęściej zgrzewane i zwalcowane.
Termometry ciśnieniowe (manometryczne)

Termometry ciśnieniowe:




cieczowe
parowe.
Termometr ten składa się z czujnika w postaci
rurki stalowej, kapilary i rurki Bourdona
Najbardziej rozpowszechnioną cieczą jest rteć
(-35÷500°C), ale także ksylen (-40÷400°C) oraz
alkohol metylowy (-50÷150°C).
Termometry rezystancyjne


W termometrach rezystancyjnych wykorzystuje się zjawisko zmiany
rezystancji czynnego elementu wraz ze zmianą temperatury. Dla czystych
metali występuje wzrost rezystancji wraz ze wzrostem temperatury.
Dla półprzewodników mamy zjawisko odwrotne.
Termometry rezystancyjne R/R0
Termorezystor

Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z metalu (niklu,
platyny ,miedzi) nawinięte na kształtkę z materiału izolacyjnego.

Działanie jego polega na zmianie rezystancji przewodnika pod wpływem
zmiany temperatury. Powstałe w ten sposób zmiany rezystancji są
mierzone i stanowią miarę temperatury.
Termorezystor



Wartość rezystancji termorezystorów jest równa najczęściej 100 Ω,
rzadziej 1000 Ω.
Inne mniejsze wartości stosowane są między innymi do pomiarów
laboratoryjnych.
Termorezystory znalazły ogromne zastosowanie w przemyśle dzięki
wysokiej temperaturze topnienia, oraz ogromnym zakresie pomiarowym
od około -200°C do 3000°C.
Termistor



Termistor jest elementem półprzewodnikowym którego rezystancja
zależy od temperatury. Zmiana wartości rezystancji może nastąpić na
skutek wzrostu temperatury otoczenia termistora lub wydzielanego w
nim ciepła.
Termistory nadają się bardzo dobrze do pomiaru temperatury oraz do
sterowania jej zmianami w zakresie od -50°C do +300°C z błędem nie
przekraczającym 0,1 do 0,2°C.
Rozróżniamy termistory o:
 Ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji NTC,
 Dodatnim współczynniku temperaturowym PTC,
 Skokowej zmianie rezystancji CTR.
Termistory - zastosowanie w elektronice:


jako ograniczniki natężenia prądu oraz czujniki temperatury
elementy kompensujące wartości innych elementów.
Podstawowe zalety termistorów :



Większy od rezystorów metalowych współczynnik zmian rezystancji
wraz ze zmianą temperatury, co pozwala mierzyć mniejsze różnice
temperatury,
wielokrotnie większa rezystancja, eliminująca praktycznie wpływ zmian
rezystancji przewodów łączeniowych na wskazania termometr,
małe bezwładności cieplne, co umożliwia prowadzenie pomiarów szybko
zmieniających się temperatur.
Podstawowe wady termistorów :




wąski zakres stosowanej temperatury,
w celu uzyskania wysokiej dokładności termometr musi być wzorcowany
w dużej liczbie punktów termometrycznych,
mniejsza stabilność czasowa rezystancji w porównaniu z czujnikami
rezystancyjnymi,
nieliniowość i trudność znormalizowania charakterystyk
termometrycznych.
TERMOPARA

Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym powstaje napięcie
o niewielkiej wartości - najczęściej w zakresie miliwoltów - i
współczynniku temperaturowym rzędu 50 µV/°C.

Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od -270°C do +2700°C
z błędem w zakresie 0,5 - 2°C.
Termopara – Jak to działa?


Wartość mierzonego napięcia zależy od temperatury złączy
termoelektrycznych jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy
temperatur obu złącz.
Złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze i na ogół jest to
0°C. Wykorzystuje się do tego kąpiele lodowe lub niewielkie pudełka ze
stałą temperaturą wnętrza.
Termopara - Jak to działa?

Zasada działania termopary opiera się na zjawisku Seebecka, które
polega na powstaniu siły elektromotorycznej i przepływie prądu
elektrycznego w miejscu styku dwóch metali w zamkniętym obwodzie
termoelektrycznym.
Metal 1
T1
V
V
T0
Metal 2
Termoogniwo.
Tx
Konstantan
.
Miedź
Termopara.
T0
Termopara - Jak to działa?



Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie, to – na
skutek różnicy energii i koncentracji nośników
ładunku – zacznie się ich ukierunkowany
ruch.
Jeżeli końce próbki znajdują się w
temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o
temperaturze T2 będzie występowała większa
koncentracja nośników ładunku, będą one
również miały większą energię. W efekcie
wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego
końca (T1).
Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do
pojawienia się rozkładu potencjału oraz
wystąpienia prądu unoszenia. W warunkach
równowagi obie składowe prądu są sobie
równe i na zewnątrz obserwuje się tylko
różnicę potencjałów między punktami o
różnej temperaturze.
Zalety termopar:




prostota i niskie koszty
wykonania,
brak zewnętrznego zasilania,
niewielkie rozmiary urządzenia ,
duża niezawodność.
Pirometr


Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego pomiaru temperatury.
W metodach tych wykorzystuje się długość fal od 0,4µm do 20 µm co
odpowiada promieniowaniu widzialnemu oraz podczerwieni. Jeśli na
drodze promieniowania znajduje się materiał to zachodzą w nim
zjawiska :
Absorpcji, polegającej na pochłanianiu energii i zamianie jej na ciepło
powodujące podwyższenie temperatury ciała.
Pirometr


Refleksji - polegającej na odbiciu promieniowania od powierzchni oraz
od struktur wewnętrznych ciała, w taki sposób że promieniowanie
zmienia swój kierunek i rozprasza się w otoczeniu. Pirometr dzięki swej
budowie może mierzyć temperaturę bez względu na stan skupienia
badanego ciała, zaletą jest mały błąd pomiaru oraz pomiary wysokich
temperatur.
Przenikania - kiedy promieniowanie przechodzi przez ciało nie
zmieniając kierunku.
Schemat prostego pirometru optycznego
Za pomocą pirometru można oszacować
temperaturę przez porównanie jasności
świecenia w pewnym zakresie
widmowym (obserwowanego przez filtr
lub przydymione szkło) mierzonego ciała
i wyskalowanej żarówki.
Pirometr:
Ciecze kriogeniczne i zasady
bezpiecznego ich użytkowania
Ciecze kriogeniczne








ciekły azot
ciekły tlen
ciekły wodór
ciekły hel
Ciecze kriogeniczne są najprostszym środkiem
do uzyskania niskich temperatur
Wszystkie metody chłodzenia poniżej 10 K
wykorzystują ciekły hel
Ciekły azot





Podstawowa ciecz w kriogenice
Główny składnik atmosfery – 78,09% obj. i 75,5% wagowo
Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza:
sprężanie - oczyszczanie - chłodzenie (wymiennik
ciepła) - rozdzielenie na poszczególne składniki
(kolumna rektyfikacyjna) - destylacja (kolumna
niskociśnieniowa)
Zastosowanie - zamrażanie żywności, obróbka metali, przechowywanie
materiału biologicznego,
rozdrabnianie tworzyw sztucznych
Ciekły azot - właściwości





bezbarwny
bez zapachu
bez smaku
niepalny
obojętny chemicznie
Ciekły azot - właściwości







temperatura wrzenia 77,2 K (-195,8 °C )
temperatura topnienia 63,2 K (-210,0 °C )
temperatura krytyczna 126,2 K (-118,56 °C )
ciśnienie krytyczne 34,0 bar
gęstość gazu 1,2506 g/l
gęstość cieczy 0,808 kg/l
współczynnik ekspansji 696
Ciekły tlen




Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie powietrza
Skroplony w 1883 r. – Olszewski i Wróblewski
Zastosowanie – m.in. paliwo rakietowe, obecnie nie stosuje się do
chłodzenia – bardzo reaktywny
Temperatura wrzenia wyższa niż temp. Wrzenia azotu – wzbogacanie
ciekłego powietrza w tlen
Ciekły tlen - właściwości





bez zapachu
bez smaku
Paramagnetyczny
bezbarwny – gaz
niebieski kolor cieczy związany z budową cząsteczki – zawiera dwa
niesparowane elektrony
Ciekły tlen - właściwości







temperatura wrzenia - 90,1 K (-182,97 °C )
temperatura topnienia - 54,75 K (-218,40 °C )
temperatura krytyczna - 154,6 K (-118,56 °C )
ciśnienie krytyczne - 50,4 bar
gęstość gazu - 1,429 g/l
gęstość cieczy - 1,14 kg/l
współczynnik ekspansji - 853
Ciekły wodór




Najpowszechniej występujący pierwiastek we Wszechświecie
Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach atmosfery (0,9%),w
stanie związanym w wodzie
Izotopy:
 stabilne: wodór H, deuter D (ok. 6400:1)
 niestabilny: tryt T
Najlżejszy – gęstość w każdym stanie skupienia mniejsza niż innych
substancji
Ciekły wodór

Wytwarzanie:
 z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej - konwersja
katalityczna w obecności pary wodnej




CH4 + 2H2O → CO + 3H2 + Q1
CO + H2O → CO2 + H2 + Q2
Q1, Q2 – ciepło wydzielone w reakcjach
elektroliza wody

2H2O → 2H2 +O2
Ciekły wodór - skraplanie



temperatura krytyczna ok. 200 K – przy chłodzeniu metodą Joule’aThomsona należy schłodzić do ok. 120 K
oczyszczenie z innych gazów, szczególnie tlenu
po skropleniu uniemożliwić kontakt z powietrzem lub tlenem – możliwy
wybuch.
Ciekły wodór - właściwości





Bezbarwny
bez zapachu
bez smaku
Palny
nietoksyczny
Ciekły wodór - właściwości







temperatura wrzenia 20,3 K (-252,8 °C )
temperatura topnienia 14 K (-259,2 °C )
temperatura krytyczna 33,2 K (-240,0 °C )
ciśnienie krytyczne 13,2 bar
gęstość gazu 0,084 g/l
gęstość cieczy 0,071 kg/l
współczynnik ekspansji 845
Ciekły wodór - właściwości



Wodór gazowy – 75% ortowodoru (spiny protonów zgodne), 25%
parawodoru (spiny protonów przeciwne) w temp. 300 K
Koncentracja równowagowa tych dwóch składników zależy od
temperatury – ze spadkiem temperatury wzrasta koncentracja
parawodoru
W cieczy (20,4 K) jest 99,8% parawodoru
Ciekły wodór - właściwości


Bezpośrednio po skropleniu – 25% parawodoru
Zmiana stężenia parawodoru w czasie:
Xp = (0,25 + 0,00855*t)/(1 + 0,00855*t)
po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru
po 1000 godzinach ok. 0,92
Ciekły wodór - właściwości





Przemianie orto-para towarzyszy wydzielanie ciepła – w ciekłym
wodorze występuje parowanie wywołane konwersją.
Straty cieczy: ok. 18% po 24 h i ponad 40% po 100h
Konwersja wodoru w trakcie skraplania – katalizatory, np. węgiel
aktywowany, tlenki metali
Parawodór ulega rekonwersji w temp. ok. 1000 °C w obecności
katalizatora
Konwersja orto-para wodoru zawartego w metalach w ultraniskich
temperaturach
Ciekły wodór - zastosowania





Paliwo rakietowe
Ogniwa paliwowe – w reakcji z tlenem powstaje woda
Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów
Przemysł spożywczy – utwardzanie tłuszczów (produkcja margaryny)
Metalurgia – redukcja rud metali, atmosfera ochronna przy spawaniu
Ciekły hel






Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody
1868 – odkrycie helu w widmie Słońca przez Pierra Jansena
20 października 1868 r. Norman Lockyer zaobserwował tę samą żółtą
linię w widmie Słońca
1895 – odkrycie helu na ziemi (William Ramsey)
10 lipca 1908 – skroplenie helu (H. Kamerlingh Onnes)
1947 – pierwsza komercyjna skraplarka helowa (Collins) – rozwój
badań niskotemperaturowych
Ciekły hel


Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego
Dwa stałe izotopy: 4He i 3He
 3He: 1-2·10-7 He z gazu ziemnego i ok. 1,3·10-6 He w atmosferze


Zawartość He w powietrzu: 0,724·10-4 % wag., 5,239·10-4 % obj.
3He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny wytwarzania trytu
Ciekły hel – wykres fazowy
Ciekły hel – Wykres fazowy
Wybrane własności gazów kriogenicznych
M – masa cząsteczkowa, TN – normalna temperatura wrzenia przy p=1bar, ΔHv – ciepło parowania, ρ - gęstość,
V-objętość, TC – temperatura krytyczna, PC – ciśnienie krytyczne Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1
bar i 273 K, c – w punkcie krytycznym,
Zasady bezpieczeństwa przy
pracy z cieczami kriogenicznymi
Ciecze kriogeniczne – BHP

Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi
 Bardzo niska temperatura cieczy i par
 Bardzo duży współczynnik ekspansji
 Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu
 Zagrożenie pożarowe
BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par




Szybkie i głębokie odmrożenia podobne do oparzeń
Szczególnie narażone delikatne tkanki
Niebezpieczne zimne pary
Odzież:
 osłonięte całe ciało
 niezbyt obcisła – możliwość szybkiego zdjęcia
 spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni
 buty z cholewami nie są zalecane – nogawki na zewnątrz
 w razie potrzeby osłona na twarz
BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par



Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami (szczególnie metale)
 przymarznięcie do ciała
 nie nosić biżuterii
Rękawice odpowiednio luźne – specjalne kriogeniczne lub skórzane
ruchość materiałów
BHP. Bardzo niska temperatura cieczy i par.
Pierwsza pomoc





Odmrożonego miejsca nie ogrzewać gwałtownie
Nie trzeć
Nie ogrzewać na sucho, zamrożony obszar umieścić w wodzie o
temperaturze ok. 40°C
Wezwać lekarza
Dłuższe przebywanie w zimnych parach może doprowadzić do
wychłodzenia całego organizmu – również ogrzewać powoli
BHP. Współczynnik ekspansji


Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje kilkaset litrów gazu
Ciecze kriogeniczne nie mogą być przechowywane w szczelnie
zamkniętych naczyniach – niebezpieczeństwo rozerwania
 Zbiorniki ciśnieniowe – zwykle dwa zawory bezpieczeństwa
 Zbiorniki otwarte – luźno dopasowany korek
BHP. Zmniejszenie zawartości tlenu w
powietrzu





Gazy z cieczy kriogenicznych:
 Bezbarwne
 bez zapachu
 bez smaku
brak oznak, że dany gaz jest w powietrzu
Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość tlenu – należy
zapewnić odpowiednią wentylację
Minimalna zawartość tlenu w powietrzu – 19,5%
Przy zawartości tlenu poniżej 15%– może nastąpić uduszenie
Koniec wykładu
Roztwory i mieszaniny oziębiające


Mieszając ze sobą odpowiednio dobrane ciała stałe, a także ciała stałe i
ciecze, które rozpuszczają się przejmują ciepło od otoczenia możemy
uzyskać mieszaniny oziębiające lub roztwory ziębiące.
Najczęściej są to roztwory dwuskładnikowe