Cryogenics määritelmä ja käyttö

Kryogeenisuus määritellään materiaalien ja niiden käytön tieteelliseksi tutkimukseksi erittäin alhaisella tasolla lämpötilat. Sana tulee kreikasta cryo, joka tarkoittaa "kylmää", ja geenissä oleva, joka tarkoittaa "tuottamista". Termi kohtaa yleensä fysiikan, materiaalitieteen ja lääketieteen yhteydessä. Tiedemiestä, joka tutkii kryogeenisyyttä, kutsutaan a cryogenicist. Kryogeenista materiaalia voidaan kutsua a: ksi kryogeenin. Vaikka kylmiä lämpötiloja voidaan ilmoittaa millä tahansa lämpötila-asteikolla, Kelvin ja Rankine-asteikot ovat yleisimpiä, koska ne ovat absoluuttisia asteikkoja joilla on positiivisia lukuja.

Sitä, kuinka kylmää ainetta on pidettävä "kryogeenisenä", on keskusteltu tiedeyhteisössä. Yhdysvaltain kansallinen standardi- ja teknologiainstituutti (NIST) katsoo, että kryogeenisiin tuotteisiin sisältyy lämpötilat alle −180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), joka on lämpötila, jonka yläpuolella yleiset kylmäaineet (esim. Rikkivety, freoni) ovat kaasut ja joiden alapuolella "pysyvät kaasut" (esim. ilma, typpi, happi, neoni, vety, helium) ovat nesteitä. On myös tutkimusala, jota kutsutaan "korkean lämpötilan kryogeeniseksi", johon sisältyy kiehumispisteen yläpuolella olevia lämpötiloja

Kryogeenien lämpötilan mittaaminen vaatii erityisiä antureita. Resistanssilämpötilan ilmaisimia (RTD) käytetään lämpötilan mittaamiseen niinkin alhaisessa lämpötilassa kuin 30 K. Alle 30 K: n piidiodeja käytetään usein. Kryogeenisten hiukkasten ilmaisimet ovat anturit, jotka toimivat muutama aste yli absoluuttisen nollan ja niitä käytetään fotonien ja alkuainehiukkasten havaitsemiseen.

Kryogeeniset nesteet varastoidaan tyypillisesti Dewar-pulloiksi kutsuttuihin laitteisiin. Nämä ovat kaksiseinäisiä astioita, joissa on tyhjiö seinien välissä eristystä varten. Dewar-pulloissa, jotka on tarkoitettu käytettäväksi erittäin kylmien nesteiden (esim. Nestemäisen heliumin) kanssa, on lisäeristysastia, joka on täytetty nestemäisellä typellä. Dewar-pullot on nimetty keksijälleen James Dewarille. Pullot antavat kaasun poistua säiliöstä estääkseen paineen kertymisen kiehumisesta, joka voi johtaa räjähdykseen.

Seuraavia nesteitä käytetään yleisimmin kryogenetiikassa:

Kryogeenisiä sovelluksia on useita. Sitä käytetään kryogeenisten polttoaineiden, myös nestemäisen vedyn ja nestemäisen hapen (LOX), valmistukseen raketteille. Ydinmagneettisessa resonanssissa (NMR) tarvittavat vahvat sähkömagneettiset kentät tuotetaan yleensä jäähdyttämällä sähkömagneetteja kryogeenien kanssa. Magneettikuvaus (MRI) on sovellus NMR: lle, joka käyttää nestemäistä heliumia. Infrapuna Kamerat vaativat usein kryogeenistä jäähdytystä. Elintarvikkeiden kryogeenistä pakastamista käytetään suurten määrien elintarvikkeiden kuljettamiseen tai varastointiin. Nestemäistä typpeä käytetään sumujen tuottamiseen erikoistehosteita varten ja jopa erikois cocktaileja ja ruokaa. Materiaalien jäädyttäminen kryogeeneillä voi tehdä niistä riittävän hauraita, jotta ne voidaan hajottaa pieniksi paloiksi kierrätettäväksi. Kryogeenisia lämpötiloja käytetään kudos- ja verinäytteiden säilyttämiseen ja kokeellisten näytteiden säilyttämiseen. Kryogeeninen jäähdytys suprajohteista voidaan käyttää suurentamaan suurten kaupunkien sähkönsiirtoa. Kryogeenista prosessointia käytetään osana joitakin lejeerinkäsittelyjä ja matalan lämpötilan kemiallisten reaktioiden helpottamiseksi (esim. Statiinilääkkeiden valmistamiseksi). Kriomimyllystä käytetään jauhamaan materiaaleja, jotka saattavat olla liian pehmeitä tai joustavia jauhaamaan tavallisissa lämpötiloissa. Molekyylien jäähdytystä (satoihin nanokelviliiniin saakka) voidaan käyttää eksoottisten ainetilojen muodostamiseen. Cold Atom Laboratory (CAL) on väline, joka on suunniteltu käytettäväksi mikropainossa muodostamaan Bose Einstein kondensaatit (noin 1 pikokelvinin lämpötila) ja kvantimekaniikan ja muun fysiikan testilait periaatteita.

Cryogenics on laaja kenttä, joka kattaa useita tieteenaloja, mukaan lukien:

kryoniikka - Kryoniikka on eläinten ja ihmisten kylmäsäilytystä, jonka tavoitteena on elvyttää heidät tulevaisuudessa.

cryosurgery - Tämä on leikkauksen ala, jossa kryogeenisiä lämpötiloja käytetään tapettamaan ei-toivottuja tai pahanlaatuisia kudoksia, kuten syöpäsoluja tai moolia.

Cryoelectronics - Tämä on suprajohtavuuden, vaihtelevan etäisyyden hyppyjen ja muiden elektronisten ilmiöiden tutkimus alhaisessa lämpötilassa. Kryoelektroniikan käytännön soveltamista kutsutaan cryotronics.

Crvobioloqy - Tämä on matalien lämpötilojen vaikutus organismiin, mukaan lukien organismien, kudosten ja geneettisen materiaalin säilyminen käyttämällä kylmäsäilytys.

Vaikka kryogeenisyyteen sisältyy yleensä lämpötila nestemäisen typen jäätymispisteen alapuolella, mutta vielä korkeampi kuin lämpötila absoluuttisen nollan, tutkijat ovat saavuttaneet lämpötilat alle absoluuttisen nollan (ns negatiivinen kelvin lämpötilat). Vuonna 2013 Ulrich Schneider Münchenin yliopistossa (Saksa) jäähdytti kaasua absoluuttisen nollan alapuolelle, mikä ilmoitti tehneen siitä kuumempaa kuin kylmempää!

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negatiivinen absoluuttinen lämpötila vapauden liikkumisasteille". tiede339, 52–55.
• Gantz, Carroll (2015). Jäähdytys: historia. Jefferson, Pohjois-Carolina: McFarland & Company, Inc. s. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nash, J. M. (1991) "Vortex-laajennuslaitteet korkean lämpötilan kryogeenisille aineille". Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering -konferenssin 26. konferenssista, Voi. 4, s. 521–525.