低温技术探究

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1、低温技术探究哈工大物理电子学摘要：低温在工业和科技领域都有着非常重要的作用，获得低温的方法冇很多。本文将主要介绍一些常用的的方法，如气体的节流和绝热膨胀降温法以及磁冷却法，并对其他降温方法进行简单介绍。关键词：低温，节流，绝热膨胀，绝热去磁，制冷1相变制冷1.1原理相变制冷主要分为液体汽化制冷与固体熔化与升华制冷，通过这些过程向被冷却物体吸收热量，实现对物体降温。1.2技术路线与实现对于液体汽化制冷，由于压强越低的情况下，沸点越低，吸热能力就越强，我们采用在低压下汽化液体。为了可以实现循环工作，我们将汽化得到的蒸汽髙压液化，再将得到的液体降压。对于固体

2、熔化与升华，工业上常使用冰块与工业盐NaCl的混合物构成的冰盐，利川冰盐融化过程吸热实现降温。冰盐融化过程辺括冰融化和盐溶解这两个过程，都能实现降温。另一个常用的办法是利用T冰，即固态的升华。干冰是在6000多KPa的压力下，把二氧化碳气体冷凝成液体，再在低压下迅速蒸发而得到的。T冰升华会吸收大量的热量，降温效果很好，可以获得-78摄氏度的低温。2绝热节流制冷2.1原理首先介绍气体的节流过程。如图2.1.1所示，管子用不导热的材料包着，管子小间有一个节流阀。节流阀两边各维持着较高的压强和较低的压强，于是气体从高压的-•边经节流阀不断地流到低压的一边，并

3、达到定常状态。这个过程就叫做节流过程。测量气体在多孔塞两边的温度表明，在节流前后，气体的温度发生了变化，这种效应彼称为焦-汤效应。下面我们用热力学理论对节流过程进行分析。设气体在通过节流阀前,压强为，体积为，内能为；通过后分别为。因为过程是绝热的，根据热力学第一定律，有f氐压靖图2.1.1气体节流过程装置图根据焙的定义，易得：也就是说，节流前后气体的焙值不变。我们定义焦汤系数为，它表示在熔不变的条件下，气体温度随压强的变化率。我们将焰衣示为，则存在如下关系：再利用麦氏关系，对得焦汤系数的表达式:其屮，我们知道对于理想气体，，所以恒为0,也就是说理想气体

4、在节流过程前后温度保持不变。当然我们知道理想气体只是理想模型，事实上的气体都不是理想气体，它们一般遵循着昂尼斯方程，保留到第二位系数，方程为：其中的修止项远小于1,以零级近似带入得由上式可以计算得到，从而得到我们知道是正的，在温度足够低的情况下，分子间吸引力的作用显苦，使得B収负值，所以＞0。当温度较高时，分子间斥力作用显著，使得B取正值，就有町能小于零，于是存在使得的温度，称为反转温度，在T・p图上显示的是一条曲线，称为反转曲线。图2.1.2显示的是的反转曲线。在曲线的左侧＞0,为致冷区；右侧＜0,为致温区。2.2技术路线与实现使节流过程重复进行可以

5、使气体的温度降到临界温度以下而被液化。我们采用的办法是通过逆流热交换器使经过节流膨胀降温后的气体对后来进入的气体进行预冷，从而把各次节图2.1.2的反转曲线图流所获得的冷却效应积累起來。人们利川这种方法实现了氢和氨的液化。利川这一方法的优点很明显，装置简单且无需滑动；但缺点也很明显，就是气体的初温必须低于反转温度（表2.2.1给出了部分气体的最高反转温度），比如He的最高反转温度为45K,这己经是非常低的温度了。当吋科学家采用的方法是利用液氢给氮气降温，液氮易爆炸，很不安全。对于这一难题，我们将在下一节绝热膨胀制冷中给出解决方案。表2.2.1气体的授高

6、反转温度气体空气NeHe/K1275939761652603607250205453绝热膨胀制冷2.1原理将过程近似地看作是准静态的，所以过程是等嫡的，即有如下式:所以有山于右式恒正，所以温度随压强的变化率始终是正的,那么在绝热膨胀之后，气体压强降低，温度也降低，从而可以实现降温。3.2技术路线与实现气体绝热膨胀示温度总是降低的，这是其一人优点，但是其缺点也很明显，那就是需要滑动，在低温的条件这是不容易实现的。我们在上一节留下了一个问题就是关于给节流过程气体预冷的方法。很容易想到把膨胀和节流过程结合运用即可解决这两个问题。我们先用绝热膨胀过程使气体温度

7、降到反转温度Z下，然后再用循环的节流过程使气体液化，实现降温。通过这种方法可以得到低至1K的温度。4绝热去磁制冷2.1原理这里涉及到较多磁介质的问题，我们直接给出结果。由于是绝热过程，认为是准静态的,等爛条件仍成立，我们得到其中II是磁场强度，可见，随着减小磁场，温度降低，这即是绝热去磁制冷。4.2技术路线与实现为了实现循环工作，我们将整个制冷过程分为四个步骤，依次为等温磁化、绝热去磁、等温去磁和绝热磁化。下而我们主要介绍询两个过程。我们将顺磁体放在装有低压氨气的容器内，使得环境温度为1K左右，加上磁场使介质磁化，磁化过程释放的热量rh液氮吸收。磁化后

8、，抽出氨气进行绝热过程，逐渐减小磁场,绝热去磁过程屮温度降低。图4.2.1是磁制冷的装置图。通