Förstå begreppet Cryogenics

Cryogenics definieras som den vetenskapliga studien av material och deras beteende vid extremt låga temperaturer. Ordet kommer från det grekiska kryo, vilket betyder "kallt", och framkallande, vilket betyder "producera". Termen stöds vanligtvis i samband med fysik, materialvetenskap och medicin. En forskare som studerar kryogenik kallas a cryogenicist. Ett kryogent material kan benämnas a kryogen. Även om kalla temperaturer kan rapporteras med hjälp av vilken som helst temperaturskala, är Kelvin- och Rankine-skalorna vanligast eftersom de är absoluta skalor som har positiva siffror.

Exakt hur kallt ett ämne måste betraktas som "kryogent" är en fråga om en viss debatt av det vetenskapliga samfundet. US National Institute of Standards and Technology (NIST) anser kryogenik att inkludera temperaturer under -180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), vilket är en temperatur över vilken vanliga köldmedier (t.ex. vätesulfid, freon) är gaser och under vilka "permanenta gaser" (t.ex. luft, kväve, syre, neon, väte, helium) är vätskor. Det finns också ett studieområde som kallas "hög temperaturkryogenik", som involverar temperaturer över kokpunkten för flytande kväve vid vanligt tryck (−195,79 ° C (77,36 K; −320,42 ° F), upp till −50 ° C (223,15 ° C K; −58,00 ° F).

Mätning av temperaturen på kryogener kräver speciella sensorer. Motstånds temperaturdetektorer (RTD) används för att utföra temperaturmätningar så låga som 30 K. Under 30 K används ofta kiseldioder. Kryogena partikeldetektorer är sensorer som arbetar några grader över absolut noll och används för att detektera fotoner och elementära partiklar.

Kryogena vätskor lagras vanligtvis i enheter som kallas Dewar-kolvar. Dessa är dubbelväggiga behållare som har ett vakuum mellan väggarna för isolering. Dewar-kolvar avsedda för användning med extremt kalla vätskor (t.ex. flytande helium) har en ytterligare isolerande behållare fylld med flytande kväve. Dewar-kolvar är uppkallad efter sin uppfinnare, James Dewar. Kolvarna tillåter gas att undkomma behållaren för att förhindra att tryckuppbyggnad kokar, vilket kan leda till en explosion.

Kryogena vätskor

Följande vätskor används oftast i kryogenik:

Vätska	Kokpunkt (K)
Helium-3	3,19
Helium-4	4,214
Väte	20,27
Neon	27,09
Kväve	77,36
Luft	78,8
Fluor	85,24
Argon	87,24
Syre	90,18
Metan	111,7

Användningar av kryogenik

Det finns flera tillämpningar av kryogenik. Det används för att producera kryogena bränslen för raketer, inklusive flytande väte och flytande syre (LOX). De starka elektromagnetiska fälten som behövs för kärnmagnetisk resonans (NMR) produceras vanligtvis av superkylande elektromagneter med kryogener. Magnetresonansavbildning (MRI) är en applikation av NMR som använder flytande helium. Infraröda kameror kräver ofta kryogen kylning. Kryogen frysning av livsmedel används för att transportera eller lagra stora mängder mat. Flytande kväve används för att producera dimma för specialeffekter och till och med specialcocktails och mat. Frysmaterial som använder kryogener kan göra dem tillräckligt spröda för att brytas upp i små bitar för återvinning. Kryogena temperaturer används för att lagra vävnads- och blodprover och för att bevara experimentella prover. Kryogen kylning av superledare kan användas för att öka överföringen av elkraft för storstäder. Kryogen bearbetning används som en del av vissa legeringsbehandlingar och för att underlätta kemiska reaktioner vid låg temperatur (t.ex. för att tillverka statinläkemedel). Cryomilling används för att fräsa material som kan vara för mjuka eller elastiska för att malas vid vanliga temperaturer. Kylning av molekyler (ner till hundratals nano Kelvin) kan användas för att bilda exotiska tillstånd av materia. Cold Atom Laboratory (CAL) är ett instrument som är utformat för användning i mikrogravitet för att bilda Bose Einstein-kondensat (cirka 1 pico Kelvin-temperatur) och testlagar för kvantmekanik och andra fysikprinciper.

Kryogena discipliner

Cryogenics är ett brett fält som omfattar flera discipliner, inklusive:

Cryonics - Cryonics är kryokonservering av djur och människor med målet att återuppliva dem i framtiden.

Kryokirurgi - Detta är en gren av kirurgi där kryogena temperaturer används för att döda oönskade eller maligna vävnader, såsom cancerceller eller mol..

Cryoelectronics - Detta är studien av superledningsförmåga, hopp med varierande intervall och andra elektroniska fenomen vid låg temperatur. Den praktiska tillämpningen av kryelektronik kallas cryotronics.

Cryobiology - Detta är studien av effekterna av låga temperaturer på organismer, inklusive konservering av organismer, vävnad och genetiskt material med användning kryokonservering.

Cryogenics Fun Fact

Medan kryogenik vanligtvis innebär temperatur under fryspunkten för flytande kväve men över den absoluta noll, har forskare uppnått temperaturer under absolut noll (så kallade negativa Kelvin-temperaturer). 2013 kyldes Ulrich Schneider vid universitetet i München (Tyskland) gas under absolut noll, vilket enligt uppgift gjorde den varmare i stället för kallare!

källor

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negativ absolut temperatur för rörelsegrader av frihet". Vetenskap 339, 52-55.
• Gantz, Carroll (2015). Kylning: En historia. Jefferson, North Carolina: McFarland & Company, Inc. s. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
•  Nash, J. M. (1991) "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics". Proc. av den 26: e Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 4, sid 521-525.