Физика низких температур

Физика низких температур - раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость. Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.

Обыватели привыкли к тому, что температура измеряется в градусах Цельсия. Согласно Международной системе единиц температура измеряется в Кельвинах. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0°С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением:

Т = 273,15 K + t.

Так, температура кипения жидкого кислорода по шкале Цельсия составляет -183°С (минус сто восемьдесят три градуса Цельсия), а по шкале Кельвина 90К (девяносто Кельвин), температура кипения жидкого азота -196°С или 77К, температура кипения жидкого водорода -253°С или 20К. Абсолютному нулю 0К, по шкале Цельсия соответствует температура минус 273°С. Ниже этой температуры не бывает во всей вселенной.

Техника, с помощью которой получают столь низкие температуры, называется криогенной техникой. «Крио» в переводе на русский язык означает «холод», а «гениум» - «рождение», таким образом, криогенная техника - это техника порождающая, или вырабатывающая холод.

История физики низких температур

В 1908 году в Лейденской лаборатории голландскому ученому Камерлингу-Оннесу впервые в мире удалось получить сжиженный гелий - самый трудно-сжижаемый газ. А в 1911 году он же начал изучать физические свойства чистых металлов при низких температурах.

В те годы самыми чистыми металлами были самородное червонное золото и ртуть, которую умели получать несколькими способами. Используя полученные технические возможности, связанные со сжижением гелия, Камерлинг-Оннес внимательно изучал изменение электрического сопротивления этих двух суперчистых металлов с понижением температуры. И оказалось, что ведут они себя совершенно по-разному. Красивое, очень чистое самородное золото понижает свое сопротивление с понижением температуры, но оно остается конечным, сколь бы низкой ни была температура.

А вот ртуть ведет себя совершенно неожиданно. При какой-то очень низкой температуре ее электрическое сопротивление исчезает, становится практически равным нулю.

Вот таким образом Камерлинг-Оннес совершил величайшее открытие. Он обнаружил явление сверхпроводимости металлов. Теоретически это явление обосновано спустя полвека советским ученым и, независимо от него, американскими учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером и Л. Купером. Этим ученым принадлежит приоритет в разработке теории сверхпроводимости металлов.

Располагая уникальными возможностями проведения исследований вблизи абсолютного нуля, ученые пытались изучить все, что только было можно. Они исследовали металлы, диэлектрики, живую материю, живые существа. Это были годы, когда пытались выяснить, даже вопрос о том, влияют ли низкие температуры на период полураспада радиоактивных элементов.

В этот период было открыто, что жидкий гелий обладает теплопроводностью, которая конкурирует с теплопроводностью самых лучших металлов. Жидкий гелий - вещество, которое сжижается и остается жидким при самой низкой температуре, вплоть до абсолютного нуля, затвердевает только в том случае, если его поместить в сосуд и поднять там давление до 25 атмосфер.

При исследовании свойств жидкого гелия обнаружил, что эта удивительная жидкость обладает не только сверхтеплопроводностью, но и обладает еще одним уникальным свойством, свойством сверхтекучести, свойством, которое характеризуется тем, что эта жидкость может протекать сквозь самые тончайшие капилляры и поры без всякой вязкости, без всякого сопротивления.

Несмотря на то, что в настоящее время существует развитая теория сверхпроводимости проводников, сверхтеплопроводности и сверхтекучести жидкого гелия, теория осцилляционных явлений, ученые продолжают исследования свойств веществ в экстремальных условиях. Оказывается, когда исследуется вещество в экстремальных, то есть в необычных условиях, то можно многое понять о его поведении в обычных условиях.

Область сверхнизких температур дает в этом смысле неограниченные возможности. По мере освоения передовых технологий производства различных генераторов холода, увеличился интерес к использованию этого холода в различных областях науки и техники.

Методы получения низких температур

1 метод :Испарение жидкостей. Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы. Снижая давление над свободной поверхностью жидкости можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки 63 K, откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K.

Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия 3Не.

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур - это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Методы сжижения газов :

Первый метод - дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При протекании через сужение проходного канала трубопровода - дроссель, либо через пористую перегородку молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, происходит понижение давления газа или пара, и газ охлаждается.

Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа сжижается.

При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается.

2 метод:Адиабатическое размагничивание. Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K. Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, то есть соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами.

3 метод: Эффект Пельтье. Эффект Пельтье используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.

Измерение низких температур

Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр

Значение и применение исследований физики низких температур

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений - сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при низких температурах, могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики.

Развитие физики низких температур в значительной степени способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела, в частности общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при низких температурах может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К.

В химической промышленности низкие температуры используют при производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов и т. д.

В нефтеперерабатывающей промышленности холод необходим при производстве высокооктановых бензинов, некоторых сортов смазочных масел и др.

Искусственное охлаждение применяется и в машиностроении (например, для холодной посадки деталей), строительстве (замораживание грунтов), медицине, при сооружении искусственных катков круглогодичной эксплуатации, для опреснения морской воды и т. д.

Одна из главных областей применения низких температур в технике - разделение газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Применение жидких кислорода и азота многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе.

Другое направление технических применений низких температур связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (~ 103 кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц [i] .

Жидкий азот — прозрачная жидкость. Является одним из четырёх агрегатных состояний азота. Жидкий азот обладает удельной плотностью 0,808 г/смі и имеет точку кипения 77,4 K (−195,75 °C). Не взрывоопасен и не ядовит. Впервые получен Раулем Пикте.

Хранение

Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением.

Мгновенная заморозка крупных объектов

Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённая ошибка. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время. Это связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота. По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки до −196 °C и раскалывать их одним ударом [ii] .

ГДЕ ПРИМЕНЯЕТСЯ ЖИДКИЙ АЗОТ?

Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии. Газообразный используется для создания нейтральной атмосферы, иногда для закачки в автомобильные шины.
Однако главной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п. Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей, а также для «передавливания» топлива в ракетах из баков в насосы или двигатели.

В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, как газовая среда для упаковки  и хранения, хладагент [iii] .

Свойства жидкого азота

Самое удивительное свойство жидкого азота - низкая температура (точка кипения его - 195,75 °C). Такой температуры в естественных природных условиях земли просто не существует. Жидкость без цвета и запаха инертна, нетоксична, невзрывоопасна. При испарении и нагревании до 20 °C один литр жидкости превращается в 700 литров газа. Кроме того, в производстве сжижение азота гораздо дешевле, чем сжижение других инертных газов, например, гелия.

Свойствами жидкого азота обусловлены особые условия хранения и перевозки. Его упаковывают в специальную тару - криогенные емкости . Это двойные сосуды Дьюара с вакуумной изоляцией; транспортные криогенные емкости, где вещество находится под давлением под давлением, и газификаторы. Перевозка может производиться всеми видами транспорта с соблюдением требований ГОСТа и правил транспортировки.

Для хранения используются хорошо проветриваемые складские помещения или защищенные навесом открытые площадки. Следует соблюдать осторожность, ведь, испаряясь, азот жидкий по законам физики становится азотом газообразным, который не поддерживает дыхания и может, накапливаясь в помещении, вызвать асфиксию [iv] .

Полимеры

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной

массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромо­лекулы) состоят из большого числа повто­ряющихся группировок. Атомы, входящие в состав мак­ромолекул, соединены друг с другом силами главных и координационных валентностей.

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтети­ческие, например полиэтилен, полипропилен. Атомы или атомные группы могут распо­лагаться в макромолекуле в виде: откры­той цепи или вытянутой в линию после­довательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами.

Свойства полимеров.

Линейные полимеры обладают специфическим комп­лексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность к большим, дли­тельно развивающимся обратимым дефор­мациям; способность в высокоэластичном со­стоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комп­лекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гиб­костью макромолекул [v] .

Механические свойства

Механические свойства определяют степень изменения структуры, размеров, формы тела при воздействии на него механических сил. В зависимости от  величины и продолжительности действия механических сил полимерные материалы подвергаются деформации или разрушению. Соответственно различают деформационные и прочностные свойства. Деформационные свойства характеризуют способность полимерных материалов деформироваться под воздействием механических напряжений, прочностные – способность сопротивляться разрушению.

Вследствие специфики строения макромолекул и надмолекулярных структур механические свойства полимеров характеризуются рядом особенностей и сильно зависят не только от состава и строения полимера, но и от внешних условий. Работоспособность полимерных материалов во многом определяется режимом их деформирования, прежде всего характером действий внешних сил. Различают статические и динамические режимы нагружения. К статическим относят воздействия при постоянных нагрузках или деформациях, а также при небольших скоростях нагружения, к динамическим – ударные или циклические воздействия [vi] .

Применение полимеров

Благодаря своим уникальным свойствам применяются полимеры повсеместно: в машиностроительном и текстильном производстве, медицине и сельском хозяйстве.

С помощью высокомолекулярных соединений изготавливают такие изделия как резину, волокна, пластмассы, пленки, клей, лак, посуду. Природные и синтетические полимеры содержат в себе углерод и органические вещества.

Некоторые полимеры (например, полиуретан, полиэфир и эпоксидные смолы) предрасположены к воспламенению, что создает повышенный уровень опасности при их практическом использовании. Для предупреждения негативных последствий используются всевозможные добавки или применяются галогенированные полимеры.

Применение полимеров в технике – это электроизоляционные и конструкционные материалы. Полимеры - хорошие электроизоляторы, поэтому их широко используют в производстве различных по конструкции и назначению проводов, кабелей, электрических конденсаторов.

На основе полимеров получаются материалы, имеющие полупроводниковые и магнитные свойства. Традиционно изделия из полимеров отличаются надежностью и высоким качеством [vii] .

Методы получения полимеров

1.Полимеризация – реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Побочных продуктов не образуется. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями С є С, С є N, С = С, С = О, С = N, либо соединения с циклическими группировками, способными раскрываться.

В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул:

По числу участвующих мономеров различают: гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

2.Поликонденсация – синтез полимера с несколькими функциональными группами, сопровождающийся образованием низкомолекулярных продуктов (H2O, NH3, HCl и др.).

Элементные составы полимеров и исходных веществ не совпадают, за счет образования низкомолекулярных продуктов.

Линейная поликонденсация:

→ NH2 - (CH2)5 - CO - NH - (CH2)5 - COOH + NH2 - (CH2)5 - COOH →

→ NH2 - (CH2)5 - CO - NH - (CH2)5 - CO - NH -(CH2)5 - COOH + H2O и т. д.

Конечный продукт - капрон (поли - е - капроамид): [ - CO - NH - (CH2)5 -] n

Трехмерная поликонденсация:NH2-CO-NH-CH2OH+CH2O ® CH2OH-NH-CO-NH-CH2OH

Строение полимеров

Форма и структура макромолекул полимеров

Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.

Линейные полимеры образуются при полимеризации мономеров или линейной поликонденсации.

Разветвленные полимеры могут образоваться как при полимеризации, так и при поликонденсации.

Сетчатые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулканизации.

Форма макромолекул влияет на структуру и свойства полимеров.

В линейных и разветвленных макромолекулах, атомы или группы атомов могут вращаться вокруг одинарных связей, постоянно изменяя свою пространственную форму. Это свойство обеспечивает гибкость макромолекул, и они могут изгибаться, скручиваться, распрямляться. Поэтому для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние, они обладают термопластическими свойствами: размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении без химических превращений [viii] .

Полимеры могут находиться в твердом и жидком состояниях (газообразное состояние для них не характерно), кристаллическом и аморфном фазовых состояния.

Большинство полимеров является диэлектриками. Полимеры в основном относятся к немагнитным веществам. Из всех применяемых конструкционных материалов полимеры имеют наименьшую теплопроводность и наибольшую теплоемкость.

Для полимеров характерен широкий диапазон механических характеристик, сильно зависящий от их структуры. Кроме структурных параметров большое влияние на механические свойства полимеров оказывают внешние факторы: температура, длительность и частота или скорость, давление, характер окружающей среды и др.

Для полимеров характерна более резко выраженная температурная зависимость механических свойств по сравнению с металлами.

Все полимеры в большей или меньшей степени подвержены процессу старения во времени. Старением полимеров называют самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении.

Старению способствуют свет, частая смена циклов нагрев – охлаждение, воздействие кислорода, озона и другие факторы.

При старении повышается твердость, хрупкость, теряется эластичность [ix] .

Полиэфиры

Полиэфиры, полимеры, содержащие в основной цепи макромолекулы функциональные группы простых (простые полиэфиры) или сложных (сложные полиэфиры) эфиров. Полиэфиры могут быть насыщенными и ненасыщенными.

Простые полиэфиры, HO—[—R—O—] n—H, , получают полимеризацией циклических окисей или поликонденсацией гликолей. Сложные полиэфиры линейной структуры Н-[-ОАО-СО-А'-СО-] n-OH, получают поликонденсацией гликолей с двухосновными кислотами.

Свойства полиэфиров очень разнообразны и зависят от химического состава, структуры, молекулярной массы и наличия функциональных групп (—ОН и —СООН). Как правило, простые полиэфиры эластичнее сложных. Полиэфиры могут вступать в химические реакции по концевым функциональным группам с увеличением молекулярной массы; ненасыщенные полиэфиры способны «сшиваться» с образованием трёхмерных структур. Сложные полиэфиры гидролизуются под действием кислот и щелочей, простые полиэфиры значительно устойчивее к гидролизу. Применение полиэфиров определяется их свойствами. Ненасыщенные полиэфиры невысокой молекулярной массы (олигоэфиры) применяют в качестве компонентов клеев, лакокрасочных материалов, для пропитки и т. п..Полиэфиры высокой молекулярной массы используют в производстве пластмасс (например, поликарбонаты), плёнок и полиэфирных волокон [x] .

Полиэфирные смолы

Полиэфирные полимеры(смолы) получают путем конденсации многоосновных кислот или ангидридов с многоатомными спиртами. Из волокнообразующих полимеров наиболее известен полиэтилентерефталат, или лавсан, – продукт конденсации этиленгликоля и терефталевой кислоты. Лавсановое волокно получило большое распространение и применение в текстильной промышленности. Оно обладает повышенной стойкостью и износоустойчивостью, хорошо сочетается с шерстяными волокнами [xi] .

Внешний вид

Исходные полиэфирные смолы представляют из себя вязкие медоподобные жидкости от светло-желтого до темно-коричневого цвета. При введении небольшого количества отвердителей полиэфирные смолы сначала густеют постепенно превращаясь в студнеообразное состояние, после чего становятся резиноподобными и наконец твердыми, нерастворимыми и неплавкими. Этот процесс, называемый отверждением, происходит при обычной температуре в течении нескольких часов. В твердом состоянии полиэфирные смолы представляют из себя прочные жесткие материалы, легко окрашиваемые в любые цвета, и чаще всего используются в сочетании со стеклотканями  в качестве конструкционных материалов для производства самых разнообразных изделий.

Главные достоинства

Отвержденные полиэфирные смолы представляют из себя великолепные конструкционные материалы, обладающие высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, отличными диэлектрическими свойствами, высокой химической стойкостью, экологической безопасностью в процессе эксплуатации. Некоторые механические свойства полиэфирных смол, применяемых в сочетании со стеклотканями, приближаются к свойствам конструкционных сталей или даже превышают их.

Технология изготовления изделий из полиэфирных смол проста, безопасна и дешева, т. к полиэфирные смолы отверждаются при комнатной температуре без приложения давления, без выделения летучих и других побочных продуктов с небольшой усадкой. Поэтому для изготовления изделий не требуются ни сложное громоздкое дорогостоящее оборудование, ни тепловая энергия, что позволяет быстро освоить как малотоннажное, так и крупнотоннажное производство изделий.

Недостатки

Конечно у полиэфирных смол есть и свои недостатки. Так, часто используемый в качестве растворителя стирол токсичен и огнеопасен.

Другим недостатком является - горючесть. Немодифицированные ненасыщенные полиэфирные смолы горят подобно твердым породам дерева. Эта проблема решается путем введения в их состав порошковых наполнителей.

Применение

Едва ли найдутся отрасли народного хозяйства где бы не применялись полиэфирные смолы. При этом выделяются отрасли в которых объем их потребления особенно велик. К ним относятся: судостроение, автомобилестроение и транспортное машиностроение, строительство, химическая промышленность, электротехническая промышленность, мебельная промышленность, товары народного потребления. При этом как правило полиэфирные смолы используются в сочетании со стеклотканями, усиливающими их механические свойства. Такие материалы называются - полиэфирные стеклопластики [xii] .

Литература

i Физика низких температур [Электронный ресурс] Режим доступа:

http://bibliofond. ru/view. aspx? id=551643

ii Жидкий азот [Электронный ресурс] Режим доступа:

https://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D1%82

iii Где применяется жидкий азот? [Электронный ресурс] Режим доступа:

http://www. cryolaboratory. ru/information/info-2/

iv Свойства жидкого азота [Электронный ресурс] Режим доступа:

http://www. cryotec. ru/articles/kak-i-dlya-chego-zakazyvat-zhidkiy-azot

v Полимеры[Электронный ресурс] Режим доступа:

http://bibliofond. ru/view. aspx? id=20735#1

vi , , Химия и физика полимеров, М.: Химия, 1989

vii Полимеры[Электронный ресурс] Режим доступа:

http://www. chemport. ru/polymers. shtml

viii Полимеры[Электронный ресурс] Режим доступа:

http://chem-bsu. narod. ru/umk_chem_webCD/ch10/ch10.htm

ix Основные свойства полимеров [Электронный ресурс] Режим доступа:

http:///books/newmaterial/152/razdel152.php

x Полиэфиры [Электронный ресурс] Режим доступа:

http://www. xumuk. ru/bse/2177.html

xi , Введение в химию полимеров, М.: Высшая шк., 1988

xii. Применение полиэфирных смол [Электронный ресурс] Режим доступа:

http://www. polyefirsmola. ru/primenen. htm