Cryogenics, production and application of low-temperature phenomena.
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Der kryogene Temperaturbereich wurde definiert als von -150 °C (-238 °F) bis zum absoluten Nullpunkt (-273 °C oder -460 °F), der Temperatur, bei der die molekulare Bewegung so nahe wie theoretisch möglich kommt, vollständig aufzuhören. Kryogene Temperaturen werden üblicherweise in der absoluten oder Kelvin-Skala beschrieben, in der der absolute Nullpunkt als 0 K ohne Gradzeichen geschrieben wird. Die Umwandlung von der Celsius in die Kelvin-Skala kann durch Hinzufügen von 273 zur Celsius-Skala erfolgen.,
Kryogene Temperaturen sind wesentlich niedriger als bei gewöhnlichen physikalischen Prozessen. Unter diesen extremen Bedingungen werden Eigenschaften von Materialien wie Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und elektrischer Widerstand sowohl theoretisch als auch kommerziell verändert. Da Wärme durch die zufällige Bewegung von Molekülen erzeugt wird, sind Materialien bei kryogenen Temperaturen so nahe wie möglich an einem statischen und hochgeordneten Zustand.,
Die Kryogenik begann 1877, dem Jahr, in dem Sauerstoff zum ersten Mal auf den Punkt abgekühlt wurde, an dem er flüssig wurde (-183 °C, 90 K). Seitdem ist die theoretische Entwicklung der Kryogenik mit dem Kapazitätswachstum von Kälteanlagen verbunden. 1895, als es möglich geworden war, Temperaturen von bis zu 40 K zu erreichen, wurde Luft verflüssigt und in ihre Hauptbestandteile getrennt; 1908 wurde Helium verflüssigt (4,2 K). Drei Jahre später wurde die Neigung vieler unterkühlter Metalle entdeckt, jeglichen Widerstand gegen Elektrizität—das als Supraleitung bekannte Phänomen—zu verlieren., In den 1920er und 1930er Jahren wurden Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreicht, und 1960 konnten Labors Temperaturen von 0,000001 K erzeugen, ein Millionstel Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.
Temperaturen unter 3 K werden hauptsächlich für Laborarbeiten verwendet, insbesondere für die Erforschung der Eigenschaften von Helium. Helium verflüssigt sich bei 4,2 K und wird zu einem sogenannten Helium I. Bei 2.,19 K wird es jedoch abrupt zu Helium II, einer Flüssigkeit mit einer so niedrigen Viskosität, dass sie buchstäblich die Seite eines Glases hinaufkriechen und durch mikroskopisch kleine Löcher fließen kann, die zu klein sind, um den Durchgang gewöhnlicher Flüssigkeiten, einschließlich Helium I, zu ermöglichen (Helium I und Helium II sind natürlich chemisch identisch.) Diese Eigenschaft wird als Überfluidität bezeichnet.
Die wichtigste kommerzielle Anwendung kryogener Gasverflüssigungstechniken ist die Lagerung und der Transport von Flüssigerdgas (LNG), einem Gemisch, das größtenteils aus Methan, Ethan und anderen brennbaren Gasen besteht., Erdgas wird bei 110 K verflüssigt, wodurch es sich bei Raumtemperatur auf 1/600 seines Volumens zusammenzieht und für den schnellen Transport in speziell isolierten Tankern ausreichend kompakt ist.
Sehr niedrige Temperaturen werden auch zur einfachen und kostengünstigen Konservierung von Lebensmitteln verwendet. Das Erzeugnis wird in einen versiegelten Tank gegeben und mit flüssigem Stickstoff besprüht. Der Stickstoff verdampft sofort und absorbiert den Wärmegehalt des Erzeugnisses.
In der Kryochirurgie kann ein Niedertemperatur-Skalpell oder eine Sonde verwendet werden, um ungesundes Gewebe einzufrieren. Die resultierenden toten Zellen werden dann durch normale körperliche Prozesse entfernt., Der Vorteil dieser Methode ist, dass das Einfrieren des Gewebes, anstatt es zu schneiden, weniger Blutungen verursacht. Ein mit flüssigem Stickstoff gekühltes Skalpell wird in der Kryochirurgie eingesetzt und hat sich bei der Entfernung von Mandeln, Hämorrhoiden, Warzen, Katarakten und einigen Tumoren als erfolgreich erwiesen. Darüber hinaus wurden Tausende von Patienten wegen Parkinson behandelt, indem die kleinen Bereiche des Gehirns eingefroren wurden, von denen angenommen wird, dass sie für das Problem verantwortlich sind.
Die Anwendung der Kryogenik hat sich auch auf Raumfahrzeuge ausgedehnt. In 1981 the U. S., space Shuttle Columbia wurde mit Hilfe von flüssigem Wasserstoff/flüssigem Sauerstoff Treibmittel ins Leben gerufen.
Von den besonderen Eigenschaften von Materialien, die auf extreme Temperaturen abgekühlt sind, ist die Supraleitung am wichtigsten. Seine Hauptanwendung war der Bau supraleitender Elektromagnete für Teilchenbeschleuniger. Diese großen Forschungseinrichtungen erfordern so starke Magnetfelder, dass herkömmliche Elektromagnete durch die zur Erzeugung der Felder erforderlichen Ströme geschmolzen werden könnten., Flüssiges Helium kühlt auf etwa 4 K das Kabel ab, durch das die Ströme fließen, so dass viel stärkere Ströme fließen können, ohne Wärme durch Widerstand zu erzeugen.