А. В. Зиновьева

Физика низких температур

Конспект лекций

Омск 2006

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

УДК 536.483(075)

ББК 22.36я73

З63

Рецензенты:

А.С. Ненишев, д-р техн. наук, проф., зав. каф. СибАДИ;

Л. В. Попов, канд. техн. наук, акад. МАХ, зам. ген. дир.

ООО «НТК «Криогенная техника»

Зиновьева А.В.

З63 Физика низких температур: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 86 с.

В конспекте лекций излагаются необходимые сведения по получению и применению низких и сверхнизких температур, кроме того, проведен эксергетический анализ некоторых криогенных систем.

Рассмотрены вопросы теплоемкости, теплопроводности и электропроводности твердых тел при низких температурах, а также сверхпроводимости и применения сверхпроводников в технике. Приведены различные методы измерения криогенных температур, а также описаны наиболее распространенные приборы для измерения низких и сверхнизких температур.

Печатается по решению редакционно-издательского отдела

Омского государственного технического университета

УДК 536.483 (075)

ББК 22.36я73

© Зиновьева А. В., 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

ОСНОВНЫЕ принятые обозначения

p – давление, Па;
V – объем, ;
N – число молекул в , 1/ ;
 – удельный объем, /кг;
F – площадь поперечного сечения, ;
М – масса, кг; молярная масса, кг/моль; величина намагниченности, ;
m – массовый расход, кг/с;
 – массовая доля;
T – абсолютная температура, К;
r – теплота испарения, Дж/кг;
R – универсальная газовая постоянная, R = 8,3146 кДж/(Ккмоль);
k – постоянная Больцмана, k = Дж/кг;
 – плотность среды, кг/ ; удельное электрическое сопротивление, Омм;
i – удельная энтальпия, Дж/кг;
– удельная теплоемкость изобарная, Дж/кгК;
– удельная теплоемкость изохорная, Дж/кгК;
G – скорость испарения, кг/с;
Q – тепловой поток, Вт;
α – коэффициент теплоотдачи, ;
u – удельная внутренняя энергия, Дж/кг;
h – универсальная постоянная Планка, h = ;
 – характеристическая температура Дебая, К;
 – коэффициент адиабаты;
– средняя скорость частицы, м/с;
– средняя длина свободного пробега частицы, м; удельная работа, Дж/кг;
– коэффициент пересчета, = 1 ;
λ – коэффициент теплопроводности газа, Вт/(мК);
 – степень черноты;
– поглощательная способность тела;
 – электрическая проводимость, ;
Н – напряженность магнитного внешнего поля, А/м;
D – постоянная Кюри, ;
 – коэффициент магнитной восприимчивости, ;
s – удельная энтропия, Дж/кг;
– коэффициент дросселирования, К/Па;
– удельная эксергия, Дж/кг;
 – коэффициент полезного действия (КПД);
Нижние индексы:
н – начальные условия;	s – адиабатные условия;	– действительные условия;
к – конечные условия;	– эксергетическое значение.

Введение

Физика низких температур имеет исключительно важное промышленное и научное значение, интерес к ее достижениям растет, и быстро расширяются сферы ее применения.

Воздействуя на температуру, получаем возможность существенно повысить эффективность известных процессов, технологий в технике, или создавать принципиально новые технологии и образцы новой техники. Важнейшие направления научно-технического прогресса не могут быть реализованы без использования низких температур.

Стремительно развивается техника ожижения водорода, гелия, неона. Жидкий водород используется для пузырьковых камер, представляет исключительную ценность как ракетное топливо, с ним связано развитие водородной энергетики, атомных ракетных двигателей. Изотоп водорода – дейтерий, получаемый низкотемпературной ректификацией, – сырье для получения тяжелой воды и термоядерного синтеза. Огромное значение гелия обусловлено возможностью широкого температурного диапазона криостатирования: от 0,03 К до 100 К и выше.

Разработаны крупные вакуумные камеры для имитации условий околоземного пространства (низкие температуры и глубокий вакуум). Для этих целей на базе криогенных систем созданы криогенные и криосорбционные вакуумные насосы.

Расширилось применение криогенных систем в области электроники. Преодоление существующих ограничений единичной мощности турбогенераторов, двигателей и трансформаторов путем уменьшения джоулевых потерь, габаритов, массы, связанных с охлаждением обмоток этих устройств до 70–4,2 К, возможно только этим путем. Применение очень чистых металлов (Na, Al, Be) для обмоток и их охлаждение приводит к снижению омического сопротивления в 1000 раз, а затраты на криогенную установку быстро окупаются.

Первостепенное значение в важнейших областях научных исследований, таких, как термоядерный синтез, магнитогазодинамические генераторы (МГД-генераторы), ускорение частиц высоких энергий, радиационная защита, приобрели криогенные магниты.

В последние годы проявляется чрезвычайно большой интерес к практическому использованию сверхпроводимости. Эта проблема признана одной из важнейших научно-технических задач современности, которая обеспечит прогресс в энергетике, радиоэлектронике, космических, термоядерных и других исследованиях.

В этом направлении наиболее актуальным для технического применения сверхпроводимости является создание сверхпроводящих электромагнитов, трансформаторов, линий электропередач, криотронов, выпрямителей, подшипников и подвесок, гироскопов, электрических машин, резонаторов и волноводов, болометров, гальванометров и др.

Особенно важным стало использование криогенных систем в радиоэлектронике. С их помощью улучшены параметры обычных радиотехнических схем и созданы принципиально новые устройства.

Большое значение приобрели приемники инфракрасного (ИК) излучения для систем обнаружения, пеленгования, самонаведения различных ракет по наземным целям, кораблям, самолетам, для взрывателей, съемок местности ночью с большой высоты, в телескопах, радиометрах, пирометрах, спектрометрах и т.д.

Радиотехника СВЧ (мазеры, лазеры, параметрические усилители, линии задержки и т.д.) позволила разработать системы сопровождения космических объектов, связи с использованием искусственных спутников, радиолокации планет, обнаружения объектов, высоких плотностей энергии для технологических и военных целей, телевидения, медицины и др.

Все большее применение получают криогенные системы в биологии (для хранения крови, костного мозга, тканей), в сельском хозяйстве (животноводство, создание банков растительного мира, хранение и переработка фруктов и овощей), в медицине (криохирургия), в других областях техники.

В целом можно отметить высокий уровень современных разработок эффективных и надежных криогенных установок большой производительности и миниатюрных криогенных систем. Об отечественных достижениях говорит сам факт: криогеника – одна из немногих отраслей в стране, для которой государство не приобретает ни одного изделия за рубежом.

История физики низких температур неразрывно связана в первую очередь с разработкой методов получения низких температур, ожижения газов и исследованиями физических свойств веществ при низких температурах. Вместе с тем постоянно расширявшееся практическое применение низких температур формировало различные области криогенной техники и технологии. До 60-х гг. основное промышленное значение имели криогенные воздухоразделительные установки на уровне температур до 70 К. Начиная с 60-х гг., интенсивно развивается промышленное производство водородных и гелиевых систем с уровнем температур до 4 К. В 80-е гг. практическое использование получили гелиевые установки, работающие на уровне температур 1,8 К.

Большое самостоятельное значение приобрели в последние годы технологии ожижения, транспортирования и хранения природного газа. Постоянно растет потребление аргона, неона и других редких газов. Созданы новые эффективные криогенные системы охлаждения сверхпроводящих обмоток электрических машин и магнитов; системы охлаждения лазеров и мазеров; установки для очистки газовых сред методами низкотемпературной сорбции и ректификации; мощные крионасосы, обеспечивающие создание высокого вакуума; медицинское криохирургическое оборудование и др. Развитие радиоэлектроники потребовало создания миниатюрных охладителей.

1. Основные методы получения низких температур

Имеются два основных метода, которые применяются в широкой практике для достижения криогенных температур:

1. Использование эффекта Джоуля – Томсона.

2. Расширение с отдачей внешней работы.

Практически осуществленные криогенные процессы в той или иной форме используют один из этих методов либо их комбинацию.

Н а рис. 1.1 представлена классификация методов получения низких температур, некоторые из которых будут рассмотрены ниже. Подробнее о методах получения низких температур и циклах можно узнать в [1–4].

Рис.1.1. Классификация методов получения низких температур