Фізика низьких температур: методи і дослідження властивостей речовин

Тип: Реферат.
Наука: Фізика.
Формат: docx.
К-сть сторінок: 26.
Короткий опис:

Зміст
Вступ
Зріджування газів
Ефект Джоуля – Томсона
Розширення адіабати газу із здійсненням зовнішньої роботи
Зріджування газів з використанням ефекту Джоуля -Томсона (метод Лінді)
Зріджування газів методом розширення адіабати в детандерах (метод Клода)
Деякі властивості зріджених газів
Наднизькі температури
Властивості речовини при низьких температурах
РІДКИЙ гелій
Використана література

Вступ

Безперервні хаотичні теплові рухи, в яких завжди беруть участь частинки будь-якої речовини і інтенсивність (енергія) яких визначає його температуру, роблять значущий вплив на всі явища, що відбуваються в речовині. Вони являються як би фоном, на якому розігруються будь-які процеси усередині речовини. Саме тому майже всяка властивість речовини так чи інакше залежить від температури, тобто від інтенсивності теплових рухів частинок в нім.

Природно, що вивчення властивостей речовини при дуже низьких температурах, коли молекулярні рухи в більшій або меншій ступені ослаблені, представляє великий інтерес. Тільки при низьких температурах можна досліджувати ті або інші явища в умовах, коли постійний фон теплових рухів не впливає на них.

При низькотемпературних дослідженнях тіло приводять, що вивчається, в контакт з тілом достатньо низької температури, з так званим хладоагентом. Завданням техніки низьких температур і є створення таких хладоагентов. Ними зазвичай є різні зріджені гази, що знаходяться в стані кипіння. Вони особливо зручні тим, що контакт з охолоджуваним тілом не змінює їх температуру, а приводить лише до інтенсивнішого випаровування. Саме зріджування газів відкрило для дослідження область низьких температур, у тому числі і найнижчих – близьких до абсолютного нуля.

Нижче ми стисло познайомимося з фізикою і технікою зріджування газів.

Зріджування газів

Рівняння стану реальних газів Ван-дер-Ваальса показує, що всякий газ може бути переведений в рідкий стан, але необхідною умовою для цього є попереднє охолоджування газу до температури нижче критичною. Вуглекислий газ, наприклад, можна зрідити при кімнатній температурі, оскільки його критична температура рівна 31,1 °С. То ж можна сказати і про такі гази, як аміак і хлор (див. табл. 13).

Але є і такі гази, які при кімнатній температурі не можна перевести в рідкий стан, які б ні застосовувати тиск і до якої б щільності їх ні доводити. До таких газів відносяться, наприклад, повітря (а також його складові частини – азот, кисень і аргон), водень і гелій, у яких критичні температури значно нижче кімнатною. До відкриття критичної температури (Каньяр-де-ла-Тур, 1822 р.) їх навіть вважали постійними газами, тобто газами, взагалі не здатними зріджуватися.

Для зріджування таких газів їх необхідно заздалегідь остити, принаймні до температури декілька нижче критичного, після чого підвищенням тиску газ може бути переведений в рідкий стан. Зріджені таким чином гази зручніше зберігати під атмосферним тиском (у відкритій судині), але в цьому випадку їх температура повинна бути ще нижчою – такий, при якій тиск, відповідний горизонтальній ділянці ізотерми реального газу, рівне 1 атм. Для азоту така ізотерма відповідає температурі 77,4 До, тоді як критична температура азоту рівна 126,1 К. Для кисню ці цифри відповідно рівні 90 До і 154,4 До, для водню 20,5 До і 33 До і, нарешті, для гелію 4,4 До і 5,3 К. Мы згадали ці чотири гази тому, що саме вони широко використовуються практично: і як засоби отримання низьких температур (хладоагенти), і для інших цілей.

З приведених цифр як критичних температур, так і тих кінцевих температур, до яких повинні бути охолоджені зріджувані гази, видно, що охолоджування потрібне вельми значне, яке ніде в природі (у земних умовах) не зустрічається. Для досягнення такого сильного охолоджування зазвичай використовуються два методи (окремо і комбінований), які ми тут і розглянемо.

Перший з їх зв’язаний з використанням так званого ефекта Джоуля – Томсона.

Ефект Джоуля – Томсона

Було вказано, що розширення ідеального газу в пустоту не супроводжується зміною його температури. Невелика зміна температури, спостережувана при точних вимірюваннях, пояснюється не ідеальністю газу. Наступна видозміна досвіду по розширенню газу, запропоноване Джоулем і Томсоном, дозволяє досягти помітної зміни температури газу, зокрема охолодження, обумовленого його не ідеальністю.

Газ при чималому, але постійному тиску примушують протікати через теплоізольовану пористу перегородку. Це означає, що протікання газу відбувається адіабата.

Гідродинамічний опір перегородки призводить до того, що на ній втрачається частина тиску газу і газ виходить з перегородки при нижчому тиску. Газ, отже, розширюється або, як говорять в техніці, дроселює. Дроселем називається будь-який пристрій, що представляє опір для протікання газу. У технічних установках для охолоджування газі замість пористої перегородки часто використовуються достатньо вузькі сопла.

Для того, щоб перебіг газу був стаціонарним, тобто відбувалося при постійних значеннях тиску по обидві сторони дроселя, необхідний який-небудь насос (компресор), який підтримував би постійними цей тиск. Цей компресор проводь зовнішню роботу стиснення газу, яка витрачається на подоланні опору дроселя. Цим процес того, що дроселює відрізняється від розширення газу в порожнечу, при якому зовнішня робота рівна нулю.

Завантажити  Завантажити