Криогеника

Исследование производства и поведения материалов при очень низких температурах.

Азот представляет собой жидкость при температуре -195,8 ° C (77,3 К).

Это схема инфракрасного космического телескопа, которому нужно холодное зеркало и инструменты. Один прибор должен быть еще холоднее, и у него есть криоохладитель. Прибор находится в области 1, а его криоохладитель — в области 3, в более теплой области космического корабля (см. MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) или космический телескоп Джеймса Уэбба ).

Дьюар среднего размера наполняется жидким азотом из более крупного криогенного резервуара.

В физике криогеника – это производство и поведение материалов при очень низких температурах .

13-й Международный конгресс холода Международного института холода (IIR) (проходивший в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1971 году) одобрил универсальное определение «криогеники» и «криогенности», приняв порог в 120 К (-153 ° C), чтобы различать эти условия от обычного охлаждения. ^{[1] [2] [3] [4]} Это логическая разделительная линия, поскольку нормальные температуры кипения так называемых постоянных газов (таких как гелий , водород , неон , азот , кислород и обычный воздух ) лежат ниже 120 К, в то время как фреоновые хладагенты, углеводороды и другие распространенные хладагенты имеют температуру кипения выше 120 К. ^{[5] [6]}

Открытие сверхпроводящих материалов с критическими температурами, значительно превышающими точку кипения азота, вызвало новый интерес к надежным и недорогим методам производства высокотемпературного криогенного охлаждения. Термин «высокотемпературный криогенный» описывает температуры в диапазоне от температуры выше точки кипения жидкого азота, -195,79 ° C (77,36 К; -320,42 ° F) до -50 ° C (223 K; -58 ° F). ^[7] Открытие сверхпроводящих свойств впервые приписывается Хейке Камерлинг-Оннесу 10 июля 1908 года. Открытие произошло после того, как удалось достичь температуры 2 К. Эти первые сверхпроводящие свойства были обнаружены в ртути при температуре 4,2 К. ^[8]

Криогенисты используют температурную шкалу Кельвина или Ренкина , обе из которых измеряют от абсолютного нуля , а не более обычные шкалы, такие как Цельсия , которая измеряет от точки замерзания воды на уровне моря ^{[9] [10]} или Фаренгейта , которая измеряет от точки замерзания. конкретного рассола на уровне моря. ^{[11] [12]}

Определения и различия

Криогеника

Отрасли техники, которые изучают очень низкие температуры (сверхнизкие температуры, т.е. ниже 123 К), способы их получения и поведение материалов при этих температурах.

Криобиология

Раздел биологии , занимающийся изучением воздействия низких температур на организмы (чаще всего с целью достижения криоконсервации ). Другие применения включают лиофилизацию (сушку вымораживанием) фармацевтических ^[13] компонентов и лекарств.

Криоконсервация генетических ресурсов животных

Сохранение генетического материала с целью сохранения породы. Сохранение генетического материала не ограничивается людьми, не являющимися людьми. Многие услуги обеспечивают генетическое хранение или сохранение стволовых клеток при рождении. Их можно использовать для изучения создания клеточных линий или для терапии стволовыми клетками . ^[14]

Криохирургия

Раздел хирургии, использующий криогенные температуры для разрушения и уничтожения тканей, например раковых клеток. Обычно его называют криоабляцией. ^[15]

Криоэлектроника

Исследование электронных явлений при криогенных температурах. Примеры включают сверхпроводимость и прыжки с переменным диапазоном .

Крионика

Криоконсервирование людей и животных с целью их будущего возрождения. «Криогеника» иногда ошибочно используется для обозначения «крионики» в массовой культуре и прессе. ^[16]

Этимология

Слово криогеника происходит от греческого κρύος (криос) – «холодный» + γενής (генис) – «генерирующий».

Криогенные жидкости

Криогенные жидкости с указанием температуры их кипения в Кельвинах ^[17] и градусах Цельсия.

Промышленное применение

Сжиженные газы , такие как жидкий азот и жидкий гелий , используются во многих криогенных приложениях. Жидкий азот является наиболее часто используемым элементом в криогенике, и его можно легально приобрести во всем мире. Также широко используется жидкий гелий, который позволяет достичь минимально достижимых температур .

Эти жидкости можно хранить в колбах Дьюара , которые представляют собой контейнеры с двойными стенками и высоким вакуумом между стенками для уменьшения теплопередачи в жидкость. Типичные лабораторные колбы Дьюара имеют сферическую форму, изготовлены из стекла и защищены металлическим внешним контейнером. В сосудах Дьюара для чрезвычайно холодных жидкостей, таких как жидкий гелий, имеется еще один контейнер с двойными стенками, заполненный жидким азотом. Сосуды Дьюара названы в честь их изобретателя Джеймса Дьюара , человека, который первым сжижал водород . Термосы представляют собой небольшие вакуумные колбы , помещенные в защитный корпус.

Криогенные этикетки со штрих-кодом используются для маркировки колб Дьюара, содержащих эти жидкости, и не замерзают при температуре до -195 градусов по Цельсию. ^[18]

Криогенные перекачивающие насосы — это насосы, используемые на причалах СПГ для перекачки сжиженного природного газа с танкеров СПГ в резервуары для хранения СПГ , а также криогенные клапаны.

Криогенная обработка

Область криогеники продвинулась вперед во время Второй мировой войны, когда ученые обнаружили, что металлы, замороженные до низких температур, обладают большей устойчивостью к износу. На основе этой теории криогенного отверждения в 1966 году Биллом и Эдом Бушами была основана коммерческая индустрия криогенной обработки . Имея опыт работы в сфере термообработки , братья Буш в 1966 году основали в Детройте компанию CryoTech. ^[19] Первоначально Буш экспериментировал с возможностью увеличения срока службы металлических инструментов до 200–400 % от первоначального срока службы. Ожидаемая продолжительность использования криогенной закалки вместо термообработки. ^{[ нужна цитация ]} В конце 1990-х годов это превратилось в лечение других частей.

Криогены, такие как жидкий азот , также используются для специального охлаждения и замораживания. Некоторые химические реакции, например те, которые используются для производства активных ингредиентов популярных статинов , должны происходить при низких температурах, примерно -100 °C (-148 °F). Для отвода тепла реакции и создания низкотемпературной среды используются специальные криогенные химические реакторы . Для замораживания пищевых продуктов и биотехнологических продуктов, таких как вакцины , требуется азот в системах шоковой заморозки или погружной заморозки. Некоторые мягкие или эластичные материалы становятся твердыми и хрупкими при очень низких температурах, что делает криогенное измельчение ( криомолечение ) возможным для некоторых материалов, которые нелегко измельчить при более высоких температурах.

Криогенная обработка не является заменой термической обработки, а скорее продолжением цикла нагрев-закалка-отпуск. Обычно при закалке изделия конечная температура равна температуре окружающей среды. Единственная причина этого заключается в том, что большинство установок для термообработки не имеют охлаждающего оборудования. В температуре окружающей среды нет ничего металлургически значимого. Криогенный процесс продолжает это действие от температуры окружающей среды до -320 ° F (140 ° R; 78 К; -196 ° C). В большинстве случаев за криогенным циклом следует процедура термического отпуска. Поскольку все сплавы не имеют одинаковых химических компонентов, процедура отпуска варьируется в зависимости от химического состава материала, термической истории и/или конкретного применения инструмента.

Весь процесс занимает 3–4 дня.

Топливо

Другое применение криогеники — криогенное топливо для ракет с жидким водородом в качестве наиболее широко используемого примера. Жидкий кислород (LOX) используется еще более широко, но в качестве окислителя , а не топлива. Рабочая лошадка НАСА «Спейс Шаттл» использовала криогенное водородно-кислородное топливо в качестве основного средства выхода на орбиту . LOX также широко используется с керосином РП-1 , некриогенным углеводородом, например, в ракетах, построенных Сергеем Королевым для советской космической программы .

Российский авиастроительный концерн Туполев разработал версию своей популярной конструкции Ту-154 с криогенной топливной системой, известную как Ту-155 . Самолет использует топливо, называемое сжиженным природным газом или СПГ, и совершил свой первый полет в 1989 году. ^[20]

Другие приложения

Астрономические инструменты Очень Большого Телескопа оснащены проточными системами охлаждения. ^[21]

Некоторые применения криогеники:

• Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — один из наиболее распространенных методов определения физических и химических свойств атомов путем обнаружения поглощенной радиочастоты и последующей релаксации ядер в магнитном поле. Это один из наиболее часто используемых методов характеристики, который находит применение во многих областях. В первую очередь сильные магнитные поля создаются переохлаждающими электромагнитами, хотя существуют спектрометры , не требующие криогенов. В традиционных сверхпроводящих соленоидах для охлаждения внутренних катушек используется жидкий гелий, поскольку он имеет температуру кипения около 4 К при давлении окружающей среды. Для проводки катушки можно использовать дешевые металлические сверхпроводники. Так называемые высокотемпературные сверхпроводящие соединения можно сделать сверхпроводящими с помощью жидкого азота, который кипит при температуре около 77 К.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — это сложное применение ЯМР, в котором геометрия резонансов подвергается деконволюции и используется для изображения объектов путем обнаружения релаксации протонов, возмущенных радиочастотным импульсом в сильном магнитном поле. Чаще всего это используется в медицинских целях.
• В крупных городах передача электроэнергии по воздушным кабелям затруднительна , поэтому используются подземные кабели. Но подземные кабели нагреваются, и сопротивление провода увеличивается, что приводит к потере энергии. Сверхпроводники можно использовать для увеличения пропускной способности, хотя для увеличения передачи энергии потребуются криогенные жидкости, такие как азот или гелий, для охлаждения кабелей, содержащих специальные сплавы. Было проведено несколько технико-экономических обоснований, и это месторождение является предметом соглашения Международного энергетического агентства .

Грузовик для доставки криогенных газов в супермаркете, Ипсиланти, Мичиган

• Криогенные газы используются при транспортировке и хранении больших масс замороженных продуктов . Когда необходимо перевезти очень большие количества продуктов питания в такие регионы, как зоны военных действий, регионы, пострадавшие от землетрясений и т. д., их необходимо хранить в течение длительного времени, поэтому используется криогенная заморозка продуктов питания. Криогенная заморозка продуктов также полезна для крупных предприятий пищевой промышленности.
• Многие инфракрасные ( передние инфракрасные ) камеры требуют криогенного охлаждения своих детекторов.
• Некоторые редкие группы крови хранятся в банках крови при низких температурах, например -165 ° C.
• Криогенная технология с использованием жидкого азота и CO ₂ была встроена в системы эффектов ночного клуба для создания охлаждающего эффекта и белого тумана, который можно освещать цветными огнями.
• Криогенное охлаждение используется для охлаждения кончика инструмента во время обработки в производственном процессе . Это увеличивает срок службы инструмента. Кислород используется для выполнения нескольких важных функций в процессе производства стали.
• Многие ракеты и лунные корабли используют криогенные газы в качестве топлива. К ним относятся жидкий кислород, жидкий водород и жидкий метан.
• Замораживая автомобильную или грузовую шину в жидком азоте, резина становится хрупкой и ее можно раздробить на мелкие частицы. Эти частицы можно снова использовать для других предметов.
• Экспериментальные исследования некоторых физических явлений, таких как спинтроника и магнитотранспортные свойства, требуют криогенных температур для наблюдения эффектов.
• Некоторые вакцины необходимо хранить при криогенных температурах. Например, вакцину Pfizer-BioNTech против COVID-19 необходимо хранить при температуре от –90 до –60 °C (от –130 до –76 °F). (См. холодовая цепь .) ^[22]

Производство

Криогенное охлаждение устройств и материалов обычно достигается за счет использования жидкого азота , жидкого гелия или механического криохладителя (в котором используются гелиевые линии высокого давления). Криокохладители Гиффорда-МакМагона, криокохладители с импульсной трубкой и криокохладители Стирлинга широко используются, их выбор основан на требуемой базовой температуре и холодопроизводительности. Новейшим достижением криогеники является использование магнитов в качестве регенераторов, а также холодильников. Эти устройства работают по принципу, известному как магнитокалорический эффект.

Детекторы

Существуют различные криогенные детекторы , которые используются для обнаружения частиц.

Для измерения криогенной температуры до 30 К используются датчики Pt100 — термометр сопротивления (RTD) . Для температур ниже 30 К необходимо для точности использовать кремниевый диод .

Смотрите также

• Абсолютный ноль
• Самая низкая температура зафиксирована на Земле
• Криогенное измельчение

Рекомендации

1. Международный словарь по охлаждению, http://dictionary.iifiir.org/search.php. Архивировано 1 октября 2019 г. в Wayback Machine.
2. Терминология ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology.
3. «Криогеника обычно определяется как наука и технология, работающая с температурами ниже 120 К [4,5], хотя этот обзор не придерживается строгого определения 120 К». К.Д. Тиммерхаус, Р. Рид. Криогенная техника: пятьдесят лет прогресса. Springer Science+Business Media LLC (2007), глава: 1.2 Начало криогеники, с. 7
4. «О криогенике». По шкале Кельвина криогенной областью часто считается область с температурой ниже примерно 120 К (-153°С).
5. "ДИХЛОРДИФТОРМЕТАН в Pubchem" .
6. "ПРОПАН в Pubchem" .
7. Дж. М. Нэш, 1991, «Устройства вихревого расширения для высокотемпературной криогеники», Proc. 26-й Межобщественной конференции по конверсии энергии, Vol. 4, стр. 521–525.
8. Радебо, Р. (2007), Тиммерхаус, Клаус Д.; Рид, Ричард П. (ред.), «Историческая сводка криогенной активности до 1950 года», Криогенная инженерия , Международная серия монографий по криогенике, Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer, стр. 3–27, Бибкод : 2007cren.book... .3R, doi : 10.1007/0-387-46896-x_1 , ISBN 978-0-387-46896-9
9. Цельсий, Андерс (1742) «Observationer om twänne beständiga Grader på en thermometer» (Наблюдения за двумя стабильными градусами на термометре), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar (Труды Шведской королевской академии наук), 3 : 171–180 и рис. 1.
10. Дон Риттнер ; Рональд А. Бейли (2005): Химическая энциклопедия. Факты в архиве , Манхэттен , Нью-Йорк. п. 43.
11. Температурная шкала Фаренгейта, Британская энциклопедия Онлайн. 25 сентября 2015 г.
12. «Фаренгейт: факты, история и формулы преобразования». Живая наука . Проверено 9 февраля 2018 г.
13. Эванс, Николь. «Что такое криобиология?». www.societyforcryobiology.org . Проверено 27 ноября 2023 г.
14. Хант, Чарльз (3 апреля 2011 г.). «Криоконсервация стволовых клеток человека для клинического применения: обзор». Трансфузиология и гемотерапия . 38 (2): 107–123. дои : 10.1159/000326623. ПМК 3088734 . ПМИД  21566712. 
15. «Криохирургия для лечения рака». НЦИ . 21 июня 2021 г. Проверено 27 ноября 2023 г.
16. «Крионика — это НЕ то же самое, что криогеника». Криогенное общество Америки . Архивировано из оригинала 2 декабря 2018 года . Проверено 5 марта 2013 г.
17. КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЭНДАЛЛА БАРРОНА Книжная компания McGraw-Hill .
18. Термальный, Тимми. «Криогенные этикетки». Мидкомданные . Проверено 11 августа 2014 г.
19. Ганц, Кэрролл (2015). Охлаждение: история. Джефферсон, Северная Каролина: McFarland & Company, Inc. 227. ИСБН 978-0-7864-7687-9.
20. "Ту-155/Ту-156". www.globalsecurity.org . Проверено 27 ноября 2023 г.
21. «ESO подписывает лицензионное соглашение о передаче технологии для системы охлаждения» . Проверено 11 июня 2015 г.
22. «Pfizer – BioNTech Хранение вакцины против COVID-19 и безопасное обращение с сухим льдом» . Пфайзер-БиоНТек. Архивировано из оригинала 24 января 2021 года . Проверено 17 декабря 2020 г.

дальнейшее чтение

• Хазельден, Г.Г. (1971), Основы криогенности , Academic Press, Нью-Йорк, ISBN 0-12-330550-0 .