日常生活中低溫是如何獲得的
信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2022-03-29
低溫的獲得在物理學(xué)中，“低溫”是指低于液態(tài)空氣（81K）的溫度。低溫在現(xiàn)代技術(shù)與科學(xué)中有很重要的意義。在技術(shù)上，空氣在低溫液化后可以通過分流而得到氧氣、氮?dú)狻鍤獾裙┕I(yè)各方面應(yīng)用。在生物科學(xué)上低溫環(huán)境用來保存活體，例如現(xiàn)在已應(yīng)用于良種奶牛精液的保存。用低溫可以使某些材料具有超導(dǎo)性質(zhì)。對(duì)低溫條件下的物理現(xiàn)象的研究在理論上也具有重要意義，這方面最著名的例子是，吳健雄等人利用低溫條件做的60co衰變實(shí)驗(yàn)證實(shí)了李政道、楊振宇提出的宇稱不守恒理論，對(duì)粒子物理的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響。 低溫最初是通過空氣的液化得到的，現(xiàn)在液態(tài)空氣的產(chǎn)生已經(jīng)很普遍了。一種空氣液化裝置就是用氫氣做工質(zhì)的制冷機(jī)，在其中氫氣進(jìn)行斯特林制冷循環(huán)，利用這種制冷機(jī)可以達(dá)到90K—12K的低溫，將空氣液化后就可以用分餾方法得到液氮、液氧。在很多實(shí)驗(yàn)中都用液氮來維持所需的低溫。當(dāng)氣體進(jìn)行近似的可逆絕熱膨脹時(shí)，因?qū)钊驕u輪葉片做功而使自身溫度降低。這也是液化氣體獲得低溫的一種方法。
還有一種液化氣體的方法是利用焦耳—湯姆遜效應(yīng)，即氣體經(jīng)過氣流膨脹會(huì)降溫的效應(yīng)。待液化氣體先受壓縮機(jī)A壓縮而成為高溫高壓的再沿管道進(jìn)入冷卻器B，被水或空氣冷卻后仍保持相當(dāng)大的壓強(qiáng)，然后又被導(dǎo)入逆流換熱器C的內(nèi)管再從小口放入容器D中。由于小口有節(jié)流作用，所以氣體從小口噴出后溫度降低，低溫低壓的氣體經(jīng)過逆流換熱器外套管而回到壓縮機(jī)中重新被壓縮。之所以用逆流換熱器是想用經(jīng)過節(jié)流的較冷的氣體來冷卻未經(jīng)節(jié)流的氣體，這樣在節(jié)流后溫度會(huì)更低。由于壓縮機(jī)的工作，氣體經(jīng)過幾次循環(huán)溫度就還可以達(dá)到部分液化的程度。液化的氣體可以從下面的管道取走。
節(jié)流降溫方法的優(yōu)點(diǎn)是，它在低溫處沒有運(yùn)動(dòng)部分，因而不需要潤滑。但由于氣體必須在低溫某溫度時(shí)通過節(jié)流才能降溫，所以節(jié)流前必須預(yù)冷，實(shí)際上，常把節(jié)流膨脹和可逆絕熱膨脹聯(lián)合起來使用，先用可逆絕熱膨脹是氣體溫度降低到所需的溫度，然后再通過節(jié)流使之變成液態(tài)。液氦一般就是這樣制取的，可達(dá)到4.2K的低溫。 液體蒸發(fā)時(shí)要吸熱，如果這時(shí)外界不供給熱量，液體本身的溫度就要降低。利用這種方法可以使液態(tài)氣體溫度進(jìn)一步降低。
密閉的杜瓦瓶中裝有液態(tài)氣體。當(dāng)用抽氣機(jī)將液面上的蒸汽快速抽出時(shí)，液體溫度就降得很低。通過這個(gè)方法用液態(tài)氫可達(dá)到1.25K的溫度，用液態(tài)4He可達(dá)到1K，用液態(tài)3He可以達(dá)到0.3K。更低的溫度是用順磁質(zhì)的絕熱退磁而得到的。順磁質(zhì)的每個(gè)分子都具有固有的磁矩，它的行為像一個(gè)微小的磁體一樣，在磁場(chǎng)的作用下要沿磁場(chǎng)排列起來。此時(shí)若將順磁質(zhì)和外界絕熱隔離，當(dāng)撤去外磁場(chǎng)時(shí)，由于它的內(nèi)能減小，溫度就要降低。一種這樣的裝置。裝順磁鹽（如硝酸鈰鎂）的容器安置在液氦內(nèi)的兩個(gè)超導(dǎo)磁極中間，現(xiàn)在容器上通入氦氣。當(dāng)磁場(chǎng)加上時(shí)，順磁鹽被磁化而溫度升高。這時(shí)它周圍的氦氣作為導(dǎo)熱劑使它很快與周圍液態(tài)氦達(dá)到熱平衡。然后抽走容器中的氦氣使順磁鹽與外界絕熱。這時(shí)再撤去磁場(chǎng)，順磁質(zhì)的溫度就可以降到210甚至310K。如果在這樣的低溫下，再 用類似的步驟是原子核進(jìn)行絕熱退磁，就可以得到更低的溫度。吳健雄在實(shí)驗(yàn)中就是用絕熱退磁法得到所需的低溫而證實(shí)了宇宙不對(duì)稱的預(yù)言。1951年倫敦（F.London）提出了一 個(gè)稀釋制冷的方法。
1978年根據(jù)這種想法制成的稀釋制冷機(jī)已經(jīng)可以保持3210K的低溫。這種制冷機(jī)是根據(jù)4He和3He的混合液體箱變規(guī)律而設(shè)計(jì)的。由液態(tài)4He的抽氣蒸發(fā)而而溫度達(dá)到1.3K的3He液體被壓入穿入 蒸發(fā)器的管道又被冷卻一次，此后又穿過一個(gè)熱交換器進(jìn)一步冷卻，然后進(jìn)入最下面的混合室中。在混合室中3He和4He的混 合液體分為兩相（即有明顯分界面的兩部分），上面是富3He的濃相，下面的貧3He的稀相。在這個(gè)溫度下3He表現(xiàn)得相當(dāng)活躍， 將由濃相向稀相大量擴(kuò)散，而4He表現(xiàn)得惰性大，好像只是給3He提供了活動(dòng)空間。它們的行為的差別需要用量子力學(xué)來說 明，但可以用液體在在空氣中蒸發(fā)作類比。液體急速蒸發(fā)時(shí)溫度要降低，此處，3He穿過分界面向稀相“蒸發(fā)時(shí)”溫度也要降低。由于上面的真空泵不斷抽走3He，這一“蒸發(fā)”就不斷的繼續(xù)進(jìn)行，因此，這里的溫度就可以達(dá)到3210K。 赫爾辛基工業(yè)大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的低溫系統(tǒng)用了一級(jí)稀釋制冷和兩級(jí)原子核絕熱去磁，得到了8210K的低溫。
1975年，亨斯（Hansch）和肖洛（Shawalow）提出可以利用對(duì)射激光束來冷卻中性原子。這種激光冷卻的方法在其后20年中得到很大發(fā)展。1995年曾利用此方法將銫原子冷卻到2.8nK的低溫。朱棣文等曾利用此方法將一群鈉原子降到24pK的低溫。
