Definicja i zastosowania kriogeniki

Kriogenika jest definiowana jako naukowe badanie materiałów i ich zachowania na bardzo niskim poziomie temperatury. Słowo pochodzi od greckiego krio, co oznacza „zimno”, i genetyka, co oznacza „produkowanie”. Termin ten występuje zwykle w kontekście fizyki, materiałoznawstwa i medycyny. Naukowcy badający kriogenikę nazywają się kriogenista. Materiał kriogeniczny można nazwać a kriogen. Chociaż niskie temperatury można zgłaszać za pomocą dowolnej skali temperatur, Kelvin i skale Rankine'a są najczęstsze, ponieważ są skalami absolutnymi które mają liczby dodatnie.

To, jak zimno należy uznać za substancję „kriogeniczną”, jest przedmiotem dyskusji społeczności naukowej. Narodowy Instytut Norm i Technologii USA (NIST) uważa, że ​​kriogenika obejmuje temperatury poniżej -180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), czyli temperatury, powyżej której powszechnie stosowane czynniki chłodnicze (np. Siarkowodór, freon) gazy, poniżej których znajdują się „gazy stałe” (np. powietrze, azot, tlen, neon, wodór, hel) płyny. Istnieje również dziedzina badań zwana „kriogeniką wysokotemperaturową”, która obejmuje temperatury powyżej temperatury wrzenia

Pomiar temperatury kriogenów wymaga specjalnych czujników. Detektory temperatury rezystancyjnej (RTD) służą do wykonywania pomiarów temperatury już od 30 K. Poniżej 30 K często stosuje się diody krzemowe. Detektory cząstek kriogenicznych to czujniki, które działają w kilku stopniach powyżej zera absolutnego i służą do wykrywania fotonów i cząstek elementarnych.

Ciecze kriogeniczne są zwykle przechowywane w urządzeniach zwanych kolbami Dewara. Są to dwuścienne pojemniki, które mają próżnię między ściankami w celu izolacji. Kolby Dewara przeznaczone do stosowania z wyjątkowo zimnymi cieczami (np. Ciekłym helem) mają dodatkowy pojemnik izolacyjny wypełniony ciekłym azotem. Kolby Dewara są nazwane od ich wynalazcy, Jamesa Dewara. Kolby umożliwiają ulatnianie się gazu z pojemnika, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia, który mógłby doprowadzić do wybuchu.

W kriogenice najczęściej stosuje się następujące płyny:

Istnieje kilka zastosowań kriogeniki. Służy do produkcji paliw kriogenicznych do rakiet, w tym ciekłego wodoru i ciekłego tlenu (LOX). Silne pola elektromagnetyczne potrzebne do jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) są zwykle wytwarzane przez przechłodzenie elektromagnesów za pomocą kriogenów. Obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI) to aplikacja NMR, która używa ciekłego helu. Podczerwień kamery często wymagają chłodzenia kriogenicznego. Kriogeniczne zamrażanie żywności służy do transportu lub przechowywania dużych ilości żywności. Ciekły azot służy do wytwarzania mgły dla efektów specjalnych a nawet specjalne koktajle i jedzenie. Zamrażanie materiałów za pomocą kriogenów może sprawić, że będą one wystarczająco kruche, aby można je było rozbić na małe kawałki w celu recyklingu. Temperatury kriogeniczne służą do przechowywania próbek tkanek i krwi oraz do przechowywania próbek eksperymentalnych. Chłodzenie kriogeniczne nadprzewodników może być wykorzystany do zwiększenia przesyłu energii elektrycznej w dużych miastach. Przetwarzanie kriogeniczne stosuje się jako część niektórych obróbek stopów i w celu ułatwienia reakcji chemicznych w niskiej temperaturze (np. W celu wytworzenia leków statynowych). Kriomielenie służy do mielenia materiałów, które mogą być zbyt miękkie lub elastyczne, aby można je było frezować w zwykłych temperaturach. Chłodzenie cząsteczek (do setek nano Kelwinów) może być wykorzystane do utworzenia egzotycznych stanów materii. Laboratorium Cold Atom (CAL) to przyrząd przeznaczony do stosowania w mikrograwitacji w celu utworzenia Bosego Einsteina kondensaty (około 1 piko temperatury Kelvina) oraz prawa testowe mechaniki kwantowej i innej fizyki zasady

Kriogenika to szeroka dziedzina, która obejmuje kilka dyscyplin, w tym:

Cryonics - Cryonics to kriokonserwacja zwierząt i ludzi w celu ich ożywienia w przyszłości.

Kriochirurgia - Jest to gałąź chirurgii, w której stosuje się temperatury kriogeniczne do zabijania niechcianych lub złośliwych tkanek, takich jak komórki rakowe lub mole.

Krioelektronicznys - Jest to badanie nadprzewodnictwa, hoppingu o zmiennym zakresie i innych zjawisk elektronicznych w niskiej temperaturze. Nazywa się to praktycznym zastosowaniem krioelektroniki kriotronika.

Kriobiologia - Jest to badanie wpływu niskich temperatur na organizmy, w tym zachowanie organizmów, tkanek i materiału genetycznego przy użyciu kriokonserwacja.

Podczas gdy kriogenika zwykle wiąże się z temperaturą poniżej punktu zamarzania ciekłego azotu, ale powyżej temperatury absolutne zero, naukowcy osiągnęli temperatury poniżej zera absolutnego (tak zwane ujemne Kelviny temperatury). W 2013 r. Ulrich Schneider z Uniwersytetu w Monachium (Niemcy) schłodził gaz poniżej zera absolutnego, co podobno sprawiło, że był cieplejszy niż zimny!

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) „Negatywna temperatura bezwzględna dla ruchowych stopni swobody”. Nauka339, 52–55.
• Gantz, Carroll (2015). Chłodnictwo: historia. Jefferson, Karolina Północna: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nash, J. M. (1991) „Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics”. Proc. 26. Konferencji Inżynierii Konwersji Energii MiędzyszkolnejVol. 4, pp. 521–525.