熱力學與統(tǒng)計物理 汪志城 第四版 2章8節(jié)講義PPT課件

1、一、節(jié)流降溫法一、節(jié)流降溫法 使氣體在致冷區(qū)節(jié)流膨脹，可使氣體降溫。使氣體在致冷區(qū)節(jié)流膨脹，可使氣體降溫。 焦焦湯效應的典型大小是湯效應的典型大小是1010-1-1-1K-1KPnPn-1-1。 兩個優(yōu)點兩個優(yōu)點：1.1.裝置沒有移動部分（低溫下移動部分的潤滑是十分困難的問裝置沒有移動部分（低溫下移動部分的潤滑是十分困難的問題）題）2.2.在一定的壓強將落下，溫度越低所獲得的溫度降落越大。在一定的壓強將落下，溫度越低所獲得的溫度降落越大。 缺點：缺點：n利用節(jié)流過程降溫，氣體的初溫必須低于反轉溫度。利用節(jié)流過程降溫，氣體的初溫必須低于反轉溫度。n解決辦法解決辦法是是：n 使節(jié)流過程重復進行，并

2、通過逆流交換器使節(jié)流膨脹降溫后使節(jié)流過程重復進行，并通過逆流交換器使節(jié)流膨脹降溫后的氣體對后進來的氣體進行預冷，把各次節(jié)流膨脹所獲得的冷的氣體對后進來的氣體進行預冷，把各次節(jié)流膨脹所獲得的冷卻效應積累起來。卻效應積累起來。n18951895年年林德林德利用此法成功地將空氣液化，故此發(fā)也叫利用此法成功地將空氣液化，故此發(fā)也叫林德法林德法。第1頁/共16頁幾種氣體的反轉溫度氣體氣體最高反轉溫度最高反轉溫度 /K臨界溫度臨界溫度/K1Pn下的沸點下的沸點/KCO21275 304 N2 607 126 77.3H2 204 33.120.4He 43 5.2 4.2第2頁/共16頁二、絕熱膨脹降溫法

3、二、絕熱膨脹降溫法 氣體經(jīng)絕熱膨脹后，溫度總是降低的。氣體經(jīng)絕熱膨脹后，溫度總是降低的。優(yōu)點優(yōu)點：不必經(jīng)過預冷。：不必經(jīng)過預冷。 使氣體重復經(jīng)過絕熱膨脹過程而降溫，并利用逆使氣體重復經(jīng)過絕熱膨脹過程而降溫，并利用逆流熱交換器將各次獲得的降溫效應積累起來就可使氣體流熱交換器將各次獲得的降溫效應積累起來就可使氣體的溫度降到臨界點一下而液化。的溫度降到臨界點一下而液化。 克勞德法克勞德法就是以此為基礎的。就是以此為基礎的。缺點缺點：膨脹機有移動部分，而且在一定的壓強將落下，：膨脹機有移動部分，而且在一定的壓強將落下，溫度愈低時，所獲得的溫度降落愈小。溫度愈低時，所獲得的溫度降落愈小。第3頁/共16頁

4、 卡皮查綜合降溫法卡皮查綜合降溫法 卡皮查于卡皮查于19341934年將上述兩種過程結合起來制成了氦的年將上述兩種過程結合起來制成了氦的液化機。液化機。 他是先利用絕熱膨脹過程，將氦的溫度降到反轉溫他是先利用絕熱膨脹過程，將氦的溫度降到反轉溫度以下，然后利用節(jié)流過程將氦液化的。度以下，然后利用節(jié)流過程將氦液化的。 在在1Pn1Pn下氦的沸點是下氦的沸點是4.2K4.2K，它的沸點隨壓強降低而，它的沸點隨壓強降低而降低，用抽氣速度非常快的抽氣機將氦的蒸汽迅速抽走，降低，用抽氣速度非?？斓某闅鈾C將氦的蒸汽迅速抽走，使其在低壓下迅速蒸發(fā)，可使其在低壓下迅速蒸發(fā)，可獲得低至獲得低至0.8-0.7K0.

5、8-0.7K的低溫的低溫。第4頁/共16頁三、絕熱去磁制冷法三、絕熱去磁制冷法磁冷卻法磁冷卻法 這是這是德拜德拜在在19261926年提出的一個產(chǎn)生年提出的一個產(chǎn)生1K1K以下低溫的有效方法。以下低溫的有效方法。絕熱過程中，順磁性固體的溫度隨磁場的減小而下降。絕熱過程中，順磁性固體的溫度隨磁場的減小而下降。抽氣杜瓦瓶順磁性固體低壓氣體液氦1K左右Ti線圈 將順磁性固體放在裝有將順磁性固體放在裝有低壓氦氣的容器內，通過低壓低壓氦氣的容器內，通過低壓氦氣與液氦的接觸而保持在氦氣與液氦的接觸而保持在1K左右的低溫左右的低溫Ti，加上磁場，加上磁場Hi（量級為（量級為10106 6A A* *m m

6、-1-1）使順）使順磁體磁化，磁化過程放出的熱磁體磁化，磁化過程放出的熱量由液氦吸收，從而保證過程量由液氦吸收，從而保證過程等溫。等溫。0SMTCVHHC T第5頁/共16頁 順磁性固體磁化后，抽取低壓氦氣，使順磁體絕熱，然后順磁性固體磁化后，抽取低壓氦氣，使順磁體絕熱，然后準靜態(tài)地使磁場減小為準靜態(tài)地使磁場減小為Hf (一般為一般為0 0）順磁體的溫度降為）順磁體的溫度降為Tf 。抽氣杜瓦瓶順磁性固體低壓氣體液氦1K左右Ti線圈下圖為在不同磁場下順磁體的熵隨溫度變化的曲線。下圖為在不同磁場下順磁體的熵隨溫度變化的曲線。增大第6頁/共16頁 利用固體中順磁離子的絕熱去磁效應，可以產(chǎn)生利用固體中

7、順磁離子的絕熱去磁效應，可以產(chǎn)生1K1K以下至以下至mKmK量級的低溫。量級的低溫。 19341934年戈特爾年戈特爾提出：利用核絕熱去磁可以達到更低的低溫。提出：利用核絕熱去磁可以達到更低的低溫。 19561956年庫爾梯和西蒙年庫爾梯和西蒙等成功地將銅的核自旋溫度降到等成功地將銅的核自旋溫度降到1010-6-6K K量級。量級。 2020世紀世紀8080年代中期年代中期，芬蘭赫辛基技術大學小組將銅的核自，芬蘭赫辛基技術大學小組將銅的核自旋溫度降到旋溫度降到25251010-9-9K K量級。量級。 8080年代末年代末該小組由將銀的核自旋溫度降到該小組由將銀的核自旋溫度降到2 21010-

8、9-9K K量級。量級。 注意：絕熱去磁制冷過程是單循環(huán)，不能連續(xù)工作。第7頁/共16頁四、稀釋制冷四、稀釋制冷 19511951年年倫敦倫敦提出了提出了 3He / 4He 稀釋致冷的致冷新方法；稀釋致冷的致冷新方法； 2020世紀世紀7070年代末已實現(xiàn)溫度為年代末已實現(xiàn)溫度為2mK2mK； 3He / 4He 稀釋致冷的連續(xù)運轉，在許多領域得到應用。稀釋致冷的連續(xù)運轉，在許多領域得到應用。原理在原理在9.89.8中介紹。中介紹。五、激光致冷五、激光致冷 是是2020世紀世紀8080年代發(fā)展起來的，用這種方法在年代發(fā)展起來的，用這種方法在9090年代中年代中期就期就獲得了獲得了170170

9、1010-9-9K K的低溫（的低溫（10.510.5中介紹）中介紹）第8頁/共16頁 2003 2003年年9 9月，美國哈佛大學超冷原子中心的物理月，美國哈佛大學超冷原子中心的物理學家，在實驗室中用一團微型的鈉原子云，創(chuàng)造了學家，在實驗室中用一團微型的鈉原子云，創(chuàng)造了人造最低溫度的世界紀錄，達到人造最低溫度的世界紀錄，達到 510-10K(0.5nK)。 這是人類歷史上這是人類歷史上首次首次達到絕對零度以上達到絕對零度以上nK以內以內的極端低溫。的極端低溫。 Ch2 第8節(jié)結束第9頁/共16頁 獲得低溫的常用的方法有： 1、節(jié)流膨脹降溫法,大小是10-11KPa-1 2、絕熱膨脹降溫法 綜

10、合法卡皮查液化機法 3、絕熱去磁制冷法磁冷卻法 4、稀釋致冷法 5、激光制冷法 2.8 獲得低溫的方法優(yōu)點沒有移動部分P一定T越低, T降落越大缺點初溫須低于反轉溫度優(yōu)點：不必經(jīng)過預冷缺點：有移動部分，一定的P下T愈低所獲T降落愈小?？色@得低至0.8-0.7K的低溫第10頁/共16頁（1）低溫磁制冷（以下）磁制冷卡諾循環(huán)是由以下四個過程組成：:等溫磁化（排放熱量）:絕熱退磁（溫度降低）:等溫退磁（吸收熱量制冷）:絕熱磁化（溫度升高）已開發(fā)的磁材料 ：釓鎵石榴(Gd3GaO12）)鏑鋁石榴石(Dy3Al5O12)、釓鎵鋁石榴石Gd3(Ga1-x-Al2)5O12(x=0.10.4)制冷溫度:4.2K20K正在開發(fā)的磁材料： RAl2 RNi2 R:(Gd,Dy,Ho,Er)制冷溫度(15K77K)第11頁/共16頁12：等溫磁化（排熱）23：等磁場過程（溫度降低）34：等溫退磁（吸熱制冷）41：等磁過程（溫度上升） (2) 高溫磁制冷 （20K以上）第12