Электронная электротехническая библиотека

 

Навигация по сайту

Что такое криогеника, использование криогенных технологий науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве и медицине

Одной из черт современного научно-технического прогресса является интенсивное развитие криогеники — повой отрасли науки и техники, связанной с получением и использованием так называемых криогенных температур. Слово "криогенный" в переводе с греческого означает «производящий холод». Этим термином в настоящее время принято обозначать все процессы и устройства с рабочей температурой ниже 120 К по абсолютной шкале.

Состояние и свойства всех веществ зависят в первую очередь от их температуры. Именно температура определяет, будет ли вещество жидким, твердым или газообразным. Чем ниже температура, тем значительнее ее влияние на физические и химические свойства вещества. Благодаря этому криогенные температуры обладают уникальными возможностями в исследовании свойств веществ и открытии новых физических явлений и фактов, а также позволяют осуществлять принципиально новые технологические процессы и устройства.

Что такое криогеника, использование криогенных технологий науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве и медицине

Как известно, температура вещества определяется интенсивностью беспорядочного движения составляющих его молекул и атомов. Это движение называется тепловым, и чем быстрее движутся молекулы и атомы внутри тела, тем выше его температура. По мере охлаждения тепловое движение молекул и атомов постепенно замедляется и, наконец, при температуре минус 273,15° С совершенно прекращается. Дальнейшее понижение температуры уже невозможно, так как запас тепловой энергии тела полностью исчерпан.

Наинизшую возможную температуру называют абсолютным нулем и принимают за начало отсчета шкалы абсолютных температур. Современную абсолютную шкалу температур предложил в 1848 г. известный английский физик У. Томсон-Кельвин. В отличие от принятой в повседневном обиходе температурной шкалы Цельсии (обозначается °С), имеющей начало отсчета температуру плавления льда, температуру, отсчитываемую от абсолютного нуля измеряют в градусах Кельвина и обозначают буквой К. 

Численная разница в отсчетах Цельсия и по абсолютной шкале Кельвина равна 273,15° С. Таким образом, комнатная температура в 20°С равна по абсолютной шкале К, а сильный мороз в -40° С по абсолютной шкале будет 233,15 К.

Область криогенных температур весьма обширна, и в ней происходит не только резкое изменение физических и химических свойств веществ и переход их из одного агрегатного состояния в другое (газов — в жидкости, жидкостей — в твердое тело), но также появляются новые специфические низкотемпературные свойства вещества и явления, неизвестные при других температурах, как, например, сверхпроводимость, сверхтекучесть и др. Все это приводит к непрерывному увеличению интереса к криогенным температурам.

Экспериментальная физика и энергетика, химия и металлургия, биология и медицина, электроника и радиотехника, авиация и космонавтика, сельское хозяйство и пищевая промышленность во все возрастающих масштабах используют криогенные методы и продукты. Образовалась самостоятельная быстро развивающаяся отрасль промышленности — криогенное машиностроение, обеспечивающее оборудованием производство и хранение криогенных продуктов, новые криогенные технологические процессы и системы.

По физическим методам получения всю область криогенных температур можно разделить на две части: от 120 К до 0,3 К и от 0,3 К до температур, близких к абсолютному нулю. Практическое охлаждение любых объектов до криогенных температур удобнее всего производить путем их погружения в жидкость, кипящую при нужной температуре. Такими жидкостями могут быть сжиженные газы с низкими температурами кипения — азот, водород, гелий и некоторые другие. Поэтому сжижение таких газов играет первостепенную роль в современной криогенике (магнитные способы охлаждения, растворение изотопа гелия 3He в 4He).

Однако испарением криогенных жидкостей можно получать температуры лишь до 0,3 К. Температуры ниже 0,3 К, называемые сверхнизкими, или ультранизкими, могут быть получены только специальными методами.

Научными основами криогеники являются физика низких температур и термодинамика, а разработкой и изготовлением криогенной аппаратуры для практических применений занимается новая отрасль промышленности — криогенная техника.

Что такое криогеника, использование криогенных технологий науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве и медицине

В последнее время криогенные процессы и криогенные продукты (жидкий азот, водород, гелий и др.) получили столь широкое распространение, что затруднительно найти крупную отрасль научных исследовании пли новой техники, где бы они не применялись. Поэтому укажем только основные области и направления современного использования криогеники.

Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований

Интерес исследователей к криогенным температурам связан в первую очередь с их сильнейшими воздействиями па свойства веществ и возможностью открытия новых специфически низкотемпературных явлений, о чем уже упоминалось ранее.

Обнаружению новых свойств и явлений способствует обширность области криогенных температур. Действительно, температура на поверхности Солнца, равная по абсолютной шкале ~6000 К, всего лишь в 20 раз выше комнатной (300 К), в то время как с помощью жидкого гелия сравнительно просто получают температуры около 1 К, что в 300 раз ниже комнатной. А во многих лабораториях исследовании сейчас ведутся при температурах порядка десятых градуса Кельвина, т. е. в тысячи раз ниже комнатной.

Интересно отметить, что полученные рекордно низкие температуры в 100 млн. раз ниже комнатных, в то время как даже температура, получаемая при взрыве атомной бомбы только в 10 тыс. раз выше комнатной.

Открытые при криогенных температурах новые свойства веществ существенно расширяют наши познания фундаментальных законов природы, а изменение физических и технических характеристик веществ посредством криогенных температур позволяет полнее использовать их служебные свойства.

Особенно широко криогенные температуры и криогенные продукты используются для экспериментов в физике твердого тела, электронике, оптике, ядерной физике, в химических и биологических исследованиях.

Криогенные температуры существенно улучшают работоспособность и эффективность квантовых усилителей и генераторов (мазеров и лазеров), во много раз повышают чувствительность приемников излучения, электронных и других приборов, помогают получать сверхвысокий вакуум и сверхчистые вещества, разделять изотопы и т. д.

В прогнозах будущего развития науки американские эксперты ставят криогенные исследования по их значению и перспективам на третье место после термоядерного синтеза и решения проблемы рака.

Обеспечение работоспособности сверхпроводящих магнитов и различных устройств на основе сверхпроводимости

Сверхпроводимостью называется способность веществ (металлов, сплавов, химических соединений) пропускать электрический ток без сопротивления. По значению и перспективам использования сверхпроводимость является одним из наиболее значительных и важных физических явлений.

Непрерывно, из года в год, увеличивается практическое применение сверхпроводимости. Уже созданы крупные сверхпроводящие магниты, необходимые для установок термоядерного синтеза, МГД-генераторов, ускорительных устройств ядерной физики, решения ряда крупных проблем современного научно-технического прогресса.

Что такое криогеника, использование криогенных технологий науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве и медицине

Большие надежды связываются с созданием мощных электрогенераторов и двигателей со сверхпроводящими обмотками, сверхпроводящих линий электропередач, скоростного транспорта на магнитной подушке, накопителей энергии, сверхбыстродействующих ЭВМ и т. д.

Сверхпроводимость позволяет создавать приборы высочайшей чувствительности, но достигаемой другими методами. Более подробно об использовании сверхпроводимости рассказано здесь: Применение сверхпроводимости в науке и технике

Ожижение и разделение воздуха с целью получения кислорода, азота, аргона, неона, криптона и ксенона

Эти газы  имеют важнейшее значение в современной науке и технике. Получением этих газов из воздуха заняты крупные отрасли химической индустрии во всех промышленно развитых странах. причем объемы производства очень велики и непрерывно возрастают. Современные воэдухоразделительные установки достигли громадной производительности.

Процессы ожижения и разделения воздуха требуют криогенных температур 70 — 90 К. Ожижение азота, гелия, кислорода, природного газа с целью их хранения и транспортировки к местам потребления, где они обычно используются в газообразном виде. Выгодность транспортировки газа в жидком виде связана с тем, что при сжижении объем газа уменьшается в 700 — 1000 раз, что дает большую экономию в объемах и весах транспортных средств.

В особо крупных масштабах ведется транспортировка сжиженного природного газа, играющего все большую роль в энергетическом балансе развитых стран. Для транспортировки сжиженных газов используются автомобильные и железнодорожные цистерны, а для морских перевозок сжиженного природного газа — специальные океанские танкеры-метановозы. Флот таких танкеров постоянно растет. Транспортировка больших количеств сжиженных газов производится также по криогенным трубопроводам.

Разделение углеводородных газовых смесей, приходных и промышленных, с целью извлечения из них водорода, гелия, метана и других газов, являющихся сырьем для химической промышленности

Потребность в этих газах непрерывно растет и потому непрерывно увеличиваются количество и мощность соответствующих установок. Криогенные методы в процессах разделения газовых смесей занимают одно из главных мест.

Разделение газовых изотопов

Путем сжижении и следующей ректификации можно эффективно разделять изотопы водорода, кислорода, азота, аргона и других газов. Особо важное значение имеет извлечение таким путем из жидкого водорода дейтерия для получения тяжелой воды в промышленных масштабах. Тяжелая вода в больших количествах применяется для замедления быстрых нейтронов, а также в качестве теплоносителей в реакторах атомных электростанций. Тяжелую воду можно получать и другими методами, но криогенный способ является самым выгодным.

Очистка газов

Получение чистых газов является одной из важнейших задач современной техники. Криогенные способы очистки — вымораживание и адсорбция при низких температурах относятся к наиболее эффективным и все чаще вытесняют другие способы очистки.

Что такое криогеника, использование криогенных технологий науке и технике, промышленности, сельском хозяйстве и медицине

Получение высокого вакуума

Использование криогенных адсорбционных и конденсационных насосов позволяет получить наиболее высокий и чистый (безмасляный) вакуум. Для охлаждения адсорбционных вакуум-насосов чаще всего применяется жидкий азот, конденсационных — жидкий гелий.

Имитация космоса

При разработке космической техники широко применяются так называемые криотермовакуумные установки, позволяющие моделировать работу различных изделий в условиях космического полета. Охлаждаемые криогенными жидкостями вакуум-насосы, экраны, системы теплоотвода и т. д. являются обязательными частями этих установок.

Долговременное хранение и транспорт мяса, рыбы и других продуктов агропромышленного комплекса.

Использование жидкого азота для сохранения потребительских качеств продуктов дает лучшие результаты чем фреоновое или аммиачное охлаждение.

В биологии и медицине все шире используется способность криогенных температур замедлять химические и биологические реакции

Тан. жидкий азот применяется для длительного гранения крови, отдельных органон, спермы элитных животных. В медицинской практике для операций с успехом используются инструменты с криогенным охлаждением, дающие возможность локального замораживания удаляемых участков органон. По утверждению медиков, криохирургия имеет очень хорошие перспективы.

Каждый год появляются все новые области применения криогенных температур или расширяются уже известные. В ряде случаев использование криогенных температур приобрело такой размах, что образовались самостоятельные научно-технические специализации, как, например, криогенная электроника, криобиология, космическая криогеника и т. д. Нет сомнения, что использование криогеники в науке, промышленности, сельском хозяйстве, медицине будет продолжать расширяться.

Категории: ---

  • Хейке Камерлинг-Оннес и открытие сверхпроводимости
  • Быстрозаряжаемые аккумуляторы нового поколения от Тошиба
  • Выбор приборов для инфракрасной диагностики распределительных устройств
  • Сухие трансформаторы и трансформаторы с негорючим жидким наполнителем
  • Атлас новых профессий 2.0 - кем будут работать ваши дети и внуки в 2031 год ...
  • Плазменное напыление покрытий
  • Ультразвуковая очистка поверхностей
  • Датчики - определение



  • Явно полезное
     


     

    © www.electrolibrary.info, 2005 - 2021 e-mail: electroby@mail.ru При использовании материалов сайта обязательно должна присутствовать ссылка в виде: http://www.electrolibrary.info - "Электронная электротехническая библиотека. Современное инженерное оборудование и системы"