淺析獲得低溫的方法

1、淺析獲得低溫的方法 摘要：低溫技術(shù)不僅與人們當代高質(zhì)量生活息息相關(guān)，同時與世界上許多尖端科學(xué)研究(諸如超導(dǎo)電技術(shù)、航天與航空技術(shù)、高能物理、受控?zé)岷司圩?、遠紅外探測、精密電磁計量、生物學(xué)和生命科學(xué)等)密不可分。在超低溫條件下，物質(zhì)的特性會出現(xiàn)奇妙的變化：空氣變成了液體或固體；生物細胞或組織可以長期貯存而不死亡；導(dǎo)體的電阻消失了超導(dǎo)電現(xiàn)象而磁力線不能穿過超導(dǎo)體完全抗磁現(xiàn)象；液體氦的黏滯性幾乎為零超流現(xiàn)象，而導(dǎo)熱性能比高純銅還好。本文將會介紹幾種獲得低溫的方法并且簡要說說它們的原理。 關(guān)鍵詞：低溫；方法；原理 1、相變制冷物質(zhì)集態(tài)的改變稱為相變。 相變過程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱運動速度的

2、改變，會吸收或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時，將吸收潛熱；反之，當它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時，放出潛熱。 相變制冷就是利用前者的吸熱效應(yīng)而實現(xiàn)的。利用液體相變的，是液體蒸發(fā)制冷；利用固體相變的，是固體融化或升華冷卻液體蒸發(fā)制冷以流體作制冷劑，通過一定的機器設(shè)備構(gòu)成制冷循環(huán)，可以對被冷卻對象實現(xiàn)連續(xù)制冷。它是制冷技術(shù)中使用的主要方法。固體相變冷卻則是以一定數(shù)量的固體物質(zhì)作制冷劑，作用于被冷卻對象，實現(xiàn)冷卻降溫。一旦固體全部相變，冷卻過程即告終止。在低溫技術(shù)中使用下列相變制冷的方法：液體氣化制冷、固體升華制冷。 （1）液體氣化制冷 原理：利用液體汽化成蒸氣的過程吸

3、收熱量，從而達到制冷的目的。為了使其連續(xù)不斷地工作，成為一個循環(huán)，便必須使制冷劑在低壓下蒸發(fā)汽化、蒸氣升壓、高壓氣體液化和高壓液體降壓。 蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、蒸氣噴射式和吸附式制冷都具備上述四個基本過程，屬于液體汽化制冷。 （2）固體升華制冷 原理：以固體制冷劑向高真空空間升華來來獲得能量。其工作溫度取決于制冷劑種類、系統(tǒng)壓力和熱負荷。如果改變蒸汽流量。從而改變系統(tǒng)背壓，就可以保持一個特定的溫度。目前使用最多的固體制冷為氮、氖、氬及二氧化碳。 應(yīng)用：冷卻紅外或射線探測器、機載紅外設(shè)備等。 優(yōu)點：1)升華潛熱較高；2)儲存密度較大；3)固體制冷劑溫度較低，可提高紅外探測器的靈敏。 2、膨

4、脹制冷 （1）節(jié)流制冷 大多數(shù)實際制冷或液化系統(tǒng)都利用節(jié)流過程（焦耳-湯姆遜）來獲得低溫。 原理：氣體通過節(jié)流閥時，由于局部阻力。壓力顯著降低，稱為節(jié)流。節(jié)流時間短，可看作絕熱，如再忽略動能和勢能變化，可將節(jié)流過程看作等焓過程，h1=h2。由于摩擦阻力存在，實際節(jié)流過程是一個熵增的不可逆過程。理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時溫度保持不變。而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度會發(fā)生變化，我們可以利用這一特點來制冷。 （2）等熵膨脹制冷 原理：等熵膨脹過程中，du+dw=duk+dup+dw=0。有外功輸出dw>0，膨脹后氣體的內(nèi)位能增大dup>0，這些都需要消耗能量

5、，只能由內(nèi)動能來補償duk<0 ，所以溫度必然降低。對于理想氣體 （3）氣體絕熱放氣制冷 絕熱放氣：容器內(nèi)高壓氣體絕熱排放過程中，容器內(nèi)的氣體對排出容器的氣體做功，則容器內(nèi)的氣體溫度下降。 原理：1）緩慢放氣 假定放氣過程進行很慢：活塞左側(cè)氣體始終處于平衡狀態(tài)，將按等熵膨脹，所作功按其本身壓力計算，因而對外作功最大，溫降也最大。 2）快速放氣 假定放氣過程進行很快：設(shè)想閥門打開后活塞右側(cè)氣體立即從p1降到p2。因假定放氣過程進行很快，活塞左側(cè)氣體膨脹時只針對一恒定不變壓力p2作功，對外作功最小，溫降也最小。 （4）三種膨脹方式對比 以上三種膨脹方法制冷的對比如下表： 3、熱電制冷原理：利

6、用帕爾貼效應(yīng)制冷：在兩種不同金屬組成的閉合回路中，若通以直流電，就會使一個節(jié)點變冷，一個變熱，這種溫差電現(xiàn)象稱為帕爾貼效應(yīng)。 而這種方法一般在低溫制冷中不常采用。 4、輻射制冷 原理：利用物體向低溫冷源輻射散熱的方式進行制冷。通常用于衛(wèi)星或空間飛行器，以宇宙空間為低溫冷源。 5、吸附制冷原理：蒸發(fā)制冷循環(huán)。利用吸附工質(zhì)液化后從外界吸熱蒸發(fā)制冷。間歇式基本循環(huán)，連續(xù)回?zé)嵫h(huán)（兩臺以上吸附器作為吸附壓縮機）。實際制冷方式為相變制冷。 6、獲得更低溫度 （1）磁制冷 原理：利用磁熱效應(yīng)來制冷。磁熱效應(yīng)：固體磁性物質(zhì)（磁性離子構(gòu)成的系統(tǒng)）在受磁場作用磁化時，系統(tǒng)的磁有序度加強（磁熵減?。瑢ν夥懦鰺崃?/p>

7、；再將其去磁，則磁有序度下降（磁熵增大），又要從外界吸收熱量。這種磁性離子系統(tǒng)在磁場施加與除去過程中所出現(xiàn)的熱現(xiàn)象稱為磁熱效應(yīng)。絕熱去磁過程只能在極低溫下實現(xiàn)，若要實現(xiàn)顯著的溫降，晶格熱必須遠小于順磁鹽的磁極熵。特點：1）磁制冷采用卡諾循環(huán)，磁材料用稀土順磁鹽 2）理想磁制冷機的COP同卡諾制冷機的相同 3）磁制冷機可以在失重狀態(tài)下運行 優(yōu)點：磁制冷不要壓縮機、噪聲小，小型量輕等。 （2）稀釋制冷機 稀釋制冷機是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷過程中使用了氦的二種穩(wěn)定同位素3He和4He的混合物作為制冷劑。這個過程要依賴3He和4He特殊的熱力學(xué)特征。氦是所有氣體中沸點

8、最低的，是最難液化的氣體。氦在大氣中含量極低，只有5×10體積分數(shù)左右。在極低溫下，液氦具有量子性質(zhì)，即粘度很小，僅為10Pas左右，具有極好的超流動性, 流動幾乎沒有阻力。同時，導(dǎo)熱系數(shù)非常大，比銅大104倍，因此在超流液氦中不可能形成溫度梯度。氦由二種穩(wěn)定同位素3He和4He組成。正常的氦氣里僅含的3He，因此，除非特別說明，一般均指4He。4He在2.172K以下，具有超流動性，而3He的超流動性要將溫度降到0.003K時才顯示出來。在極低溫下，液體3He和4He混合時具有吸熱效應(yīng)，這些特性被用于稀釋制冷機中氦3/氦4稀釋制冷機原理： 1）氣體（純氦3）由真空泵壓縮，后在換熱器和4.2K的液氦浴中冷卻。 2）壓縮氣體然后通過1.2K的氦浴冷卻而冷凝。 3）液氦3經(jīng)一毛細管膨脹，進一步在0