Cryogenics, production and application of low-temperature phenomena.
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L’intervallo di temperatura criogenica è stato definito come da -150 °C (-238 °F) a zero assoluto (-273 °C o -460 °F), la temperatura alla quale il movimento molecolare si avvicina il più teoricamente possibile alla cessazione completa. Le temperature criogeniche sono solitamente descritte nella scala assoluta o Kelvin, in cui lo zero assoluto è scritto come 0 K, senza un segno di grado. La conversione dalla scala Celsius alla scala Kelvin può essere eseguita aggiungendo 273 alla scala Celsius.,
Le temperature criogeniche sono notevolmente inferiori a quelle incontrate nei normali processi fisici. In queste condizioni estreme, tali proprietà dei materiali come resistenza, conduttività termica, duttilità e resistenza elettrica vengono alterate in modo sia teorico che commerciale. Poiché il calore è creato dal movimento casuale delle molecole, i materiali a temperature criogeniche sono il più vicino possibile a uno stato statico e altamente ordinato.,
La criogenica ebbe il suo inizio nel 1877, l’anno in cui l’ossigeno fu raffreddato per la prima volta al punto in cui divenne un liquido (-183 °C, 90 K). Da allora lo sviluppo teorico della criogenica è stato collegato alla crescita delle capacità dei sistemi di refrigerazione. Nel 1895, quando era diventato possibile raggiungere temperature fino a 40 K, l’aria fu liquefatta e separata nei suoi componenti principali; nel 1908 l’elio fu liquefatto (4,2 K). Tre anni dopo fu scoperta la propensione di molti metalli super raffreddati a perdere ogni resistenza all’elettricità—il fenomeno noto come superconduttività., Nel 1920 e 1930 furono raggiunte temperature vicine allo zero assoluto, e nel 1960 i laboratori potevano produrre temperature di 0,000001 K, un milionesimo di grado Kelvin sopra lo zero assoluto.
Le temperature inferiori a 3 K vengono utilizzate principalmente per lavori di laboratorio, in particolare per la ricerca sulle proprietà dell’elio. L’elio si liquefa a 4,2 K, diventando quello che è noto come elio I. A 2.,19 K, tuttavia, diventa improvvisamente elio II, un liquido con una viscosità così bassa che può letteralmente strisciare sul lato di un vetro e fluire attraverso fori microscopici troppo piccoli per consentire il passaggio di liquidi ordinari, incluso l’elio I. (Elio I ed elio II sono, ovviamente, chimicamente identici.) Questa proprietà è nota come superfluidità.
La più importante applicazione commerciale delle tecniche di liquefazione del gas criogenico è lo stoccaggio e il trasporto di gas naturale liquefatto (GNL), una miscela in gran parte composta da metano, etano e altri gas combustibili., Il gas naturale viene liquefatto a 110 K, facendolo contrarre a 1/600 del suo volume a temperatura ambiente e rendendolo sufficientemente compatto per un trasporto rapido in cisterne appositamente isolate.
Le temperature molto basse vengono utilizzate anche per conservare il cibo in modo semplice ed economico. I prodotti vengono posti in un serbatoio sigillato e spruzzati con azoto liquido. L’azoto vaporizza immediatamente, assorbendo il contenuto di calore dei prodotti.
In criochirurgia è possibile utilizzare un bisturi o una sonda a bassa temperatura per congelare il tessuto malsano. Le cellule morte risultanti vengono quindi rimosse attraverso normali processi corporei., Il vantaggio di questo metodo è che il congelamento del tessuto piuttosto che tagliarlo produce meno sanguinamento. Un bisturi raffreddato da azoto liquido viene utilizzato in criochirurgia; si è dimostrato efficace nella rimozione di tonsille, emorroidi, verruche, cataratta e alcuni tumori. Inoltre, migliaia di pazienti sono stati trattati per la malattia di Parkinson congelando le piccole aree del cervello ritenute responsabili del problema.
L’applicazione della criogenica si è estesa anche ai veicoli spaziali. Nel 1981 gli Stati Uniti., lo space shuttle Columbia è stato lanciato con l’aiuto di propellenti di idrogeno liquido/ossigeno liquido.
Tra le proprietà speciali dei materiali raffreddati a temperature estreme, la superconduttività è la più importante. La sua principale applicazione è stata nella costruzione di elettromagneti superconduttori per acceleratori di particelle. Queste grandi strutture di ricerca richiedono campi magnetici così potenti che gli elettromagneti convenzionali potrebbero essere fusi dalle correnti necessarie per generare i campi., L’elio liquido raffredda a circa 4 K il cavo attraverso il quale scorrono le correnti, consentendo a correnti molto più forti di fluire senza generare calore per resistenza.