Рефераты по рекламе
Рефераты по физике
Рефераты по философии
Рефераты по финансам
Рефераты по химии
Рефераты по хозяйственному праву
Рефераты по экологическому праву
Рефераты по экономико-математическому моделированию
Рефераты по экономической географии
Рефераты по экономической теории
Рефераты по этике
Рефераты по юриспруденции
Рефераты по языковедению
Рефераты по юридическим наукам
Рефераты по истории
Рефераты по компьютерным наукам
Рефераты по медицинским наукам
Рефераты по финансовым наукам
Рефераты по управленческим наукам
Биология и химия
Издательское дело и полиграфия
Рефераты по краеведению и этнографии
Рефераты по религии и мифологии
Рефераты по медицине
- «Тепловое равновесие. Температура. Шкала Цельсия»
- Шкала Цельсия. Шкала Кельвина
- Т = t° + 273.
- Температура. Способы измерения температур. Значение теплоизоляции в жизни человека и животного
- Теплоизоляция в жизни человека и животного
- Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Василеостровского района Санкт-Петербурга
- Современные термометры
- История изобретения термометра
«Тепловое равновесие. Температура. Шкала Цельсия»
Молекулярная физика в отличие от механики изучает системы (тела), состоящие из большого числа частиц. Эти тела могут находиться в различных состояниях, которые называются параметрами состояния. К параметрам состояния относят давление, объём, температуру. Возможно такое состояние системы, при котором параметры, характеризующие его, остаются неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Это состояние называется тепловое равновесие. Так, объём, температура, давление жидкости в сосуде, находящейся в тепловом равновесии с воздухом в комнате, не изменяются, если для этого не будет каких-либо внешних причин.
Состояние теплового равновесия системы характеризует такой параметр, как температура. Особенностью его является то, что значение температуры во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, одинаково. Если опустить в стакан с горячей водой серебряную ложку (или ложку из любого другого металла), то ложка будет нагреваться, а вода — остывать. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором ложка и вода будут иметь одинаковую температуру, т.е. придут в тепловое равновесие.
Температура — это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние тела. Так, температура горячей воды выше, чем холодной; зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.
Единицей температуры является градус Цельсия (°С). Температуру измеряют термометром.
В основе устройства термометра и соответственно способа измерения температуры лежит зависимость свойств тел от температуры, в частности свойство тела расширяться при нагревании. В термометрах могут быть использованы разные тела: и жидкие (спирт, ртуть), и твёрдые (металлы) и газообразные. Их называют термометрическими телами. Термометрическое тело (жидкость или газ) помещают в трубку, снабжённую шкалой, её приводят в соприкосновение с телом, температуру которого хотят измерить.
Повышение температуры газа означает увеличение средней скорости хаотического движения его молекул. Аналогично с повышением температуры возрастает скорость перемещения молекул жидкости и возрастает амплитуда колебаний атомов твердых тел.
Шкала Цельсия. Шкала Кельвина
Существуют разные температурные шкалы. Одной из наиболее распространённых в практике шкал является шкала Цельсия. Основными точками этой шкалы служат температура таяния льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Первой точке приписали значение 0 °С, а второй — 100 °С. Расстояние между этими точками разделили на 100 равных частей и получили шкалу, называемую шкала Цельсия. За единицу температуры по этой шкале принят 1 °С.
Помимо шкалы Цельсия широко используется температурная шкала, названная абсолютной (термодинамической) шкалой температур, или шкала Кельвина. Температура любого тела не может опуститься ниже -273,15 °С. При такой температуре движение молекул полностью прекращается. За ноль по шкале Кельвина принята температура -273,15 °С. Эта температура названа абсолютным нулём температур и обозначается 0 К. Единицей температуры является один кельвин (1 К); он равен 1 градусу Цельсия. Соответственно температура таяния льда по абсолютной шкале температур — 273 К, а температура кипения воды — 373 К.
Температуру по абсолютной шкале обозначают буквой Т. Связь между температурой по абсолютной шкале (Т) и температурой по шкале Цельсия (t°) выражается формулой:
Т = t° + 273.
Конспект урока «Тепловое равновесие. Температура. Шкала Цельсия».
Следующая тема: «Внутренняя энергия».
Температура. Способы измерения температур. Значение теплоизоляции в жизни человека и животного
Научный проект по физике
На тему: “Температура. Способы измерения температур. Значение
теплоизоляции в жизни человека и животного”
1. История изобретения термометра
2. Современные термометры
3. Теплоизоляции в жизни человека и животного
Теплоизоляция в жизни человека и животного
а) Увеличение и уменьшение потерь тепла у человека.
Температура оказывает существенное влияние на протекание
жизненных процессов в организме и на его физиологическую активность.
Физико-химической основой этого влияния является изменение скорости протекания
химических реакций, благодаря которым происходит энтропическое превращение всех
видов энергии в тепловую.
Зависимость скорости химических реакций количественно
выражается законом Вант-Гоффа – Аррениуса, согласно которому при изменении
температуры окружающей среды на 10°с происходит, соответственно, повышение или
понижение скорости химических процессов в 2-3 раза. Разница в 10°с стала
стандартным диапазоном, по которому определяют температурную чувствительность
биологических систем.
В соответствии с одним из следствий второго закона
термодинамики, теплота как конечное превращение энергии способна переходить
только из области более высокой температуры в область более низкой. Поэтому
поток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не прекращается
до тех пор, пока температура тела особи выше, чем температура среды.
Температура тела определяется соотношением скорости метаболической
теплопродукции клеточных структур и скорости рассеивания образующейся тепловой
энергии в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и средой
является неотъемлемым условием существования теплокровных организмов. Нарушение
соотношения этих процессов приводит к изменению температуры тела.
Человек издревле обитает в различных условиях нашей планеты,
температурные различия между которыми превышают 100°с. Ежегодные и ежесуточные
колебания могут быть очень велики. Следовательно, проблема защиты от внешних
температурных воздействий и физиологической адаптации к ним всегда стояла перед
человеком, а при выполнении мышечной работы в некоторых условиях внешней среды
терморегуляция является одним из важных лимитирующих факторов.
При анализе температурного режима человеческого организма на
протяжении долгого времени понятие о температуре тела как одной из важнейших
физиологических констант при нормальном состоянии организма распространялось не
только на состояние покоя, но и на активную мышечную деятельность. С этой
позиции различная степень гипертермии при мышечной работе не могла
расцениваться иначе, как показатель срыва или функциональной недостаточности
терморегуляционной системы, в частности, аппарата физической терморегуляции.
Современный взгляд на терморегуляцию человека в процессе
работы существенно изменился. Допускается и доказана прямая, хотя и не линейная
зависимость, взаимосвязь между температурой ядра и уровнем метаболизма. Важно
подчеркнуть, что степень повышения температуры ядра при работе в большей
степени коррелирует с общим уровнем энергозатрат, чем с величиной
теплопродукции. Поэтому знание физиологических основ терморегуляции человека в
различных условиях деятельности, особенно при физических нагрузках, является необходимым.
Температура тела человека. Тепловой баланс.
Возможность процессов жизнедеятельности ограничена узким
диапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основные
ферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°с и её
увеличение выше 43°с, как правило, смертельно. Особенно чувствительны к
изменениям температуры нервные клетки. С точки зрения терморегуляции, тело
человека можно представить состоящим из двух компонентов: внешнего, оболочки, и
внутреннего, ядра. Ядро – это часть тела, которая имеет постоянную температуру,
а оболочка – часть тела, в которой имеется температурный градиент. Через
оболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой. Температура разных
участков ядра различна. Например, в печени – 37.8-38.0°с, в мозге – 36.9-37.8°.
в целом же, температура ядра тела человека составляет 37.0°с.
Температура кожи человека на различных участках колеблется
от 24.4 до 34.4°с. Самая низкая температура наблюдается на пальцах ног, самая
низкая – в подмышечной впадине. Именно на основании измерения температуры в
подмышечной впадине обычно судят о температуре тела в данный момент времени. По
усреднённым данным, средняя температура кожи обнажённого человека в условиях
комфортной температуры воздуха составляет 33-34°с.
Существуют циркадные – околосуточные – колебания температуры
тела. Амплитуда колебаний может достигать 1°. Температура тела минимальна в
предутренние часы (3-4 часа) и максимальна в дневное время (16-18 часов). Эти
сдвиги вызваны колебаниями уровня регулирования, т.е. связаны с изменениями в
деятельности ЦНС. В условиях перемещения, связанного с пересечением часовых
меридианов, требуется 1-2 недели для того, чтобы температурный ритм пришёл в
соответствие с новым местным временем. На суточный ритм могут накладываться
ритмы с более длительными периодами. Наиболее отчётливо проявляется
температурный ритм, синхронизированный с менструальным циклом.
Известно также явление асимметрии аксилярной температуры.
Она наблюдается примерно в 54% случаев, причем температура в левой подмышечной
впадине несколько выше, чем в правой. Возможна асимметрия и на других участках
кожи, а выраженность асимметрии более чем в 0,5° свидетельствует о патологии.
Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при равенстве
процессов теплообразования и теплоотдачи всего организма. В термонейтральной (комфортной)
зоне существует баланс между теплопродукцией и теплоотдачей. Ведущим фактором,
определяющим уровень теплового баланса, является температура окружающей среды.
При её отклонении от комфортной зоны в организме устанавливается новый уровень
теплового баланса, обеспечивающий изотермию в новых условиях среды. Оптимальное
соотношение теплопродукции и теплоотдачи обеспечивается совокупностью
физиологических процессов, называемых терморегуляцией. Различают физическую (теплоотдача)
и химическую (теплообразование) терморегуляцию.
Б) Как зимуют животные.
Жизнь животных зимой или кто как зимует? Есть тритоны,
лягушки, черепахи и змеи, которые могут безболезненно замерзать и затвердевать
так, что их внутренние органы пронизываются кристаллами льда. Это необычно,
потому что образующийся в кровеносных сосудах животного лед должен либо их
разрывать, либо безнадежно растягивать. И главное – замерзшая вода становится
недоступной для клеток, и они могут погибнуть от обезвоживания. Но вот,
например, американская лесная лягушка. Когда при охлаждении лед образуется в
пальцах ее лап и коже, она наполняет свои ткани глюкозой. Это предохраняет их
от повреждения. Даже если бы человек мог накачать столько глюкозы в свои ткани,
ее высокий уровень вызвал бы диабетическую кому и смерть. У лягушки избыток
сахара тоже вызывает кому: обмен веществ в клетках почти останавливается. Но
это не вредит амфибиям. Весной они оттаивают и при движении сжигают глюкозу,
как горючее. С замороженным сибирским углозубом произошел поразительный случай:
его нашли в вечной мерзлоте на глубине одиннадцати метров. А находка оттаяла и
ожила. Радиоуглеродный анализ показал, что углозуб пролежал в мерзлоте около
девяноста лет. Есть и животные, тело которых может сильно охлаждаться, а льда
при этом не образуется. Некоторые арктические насекомые бодро переносят
пятидесятиградусный мороз: они удаляют из своего тела пыль или бактерии, вокруг
которых могут нарастать кристаллы льда. Из млекопитающих безболезненно
охлаждается длиннохвостый суслик, у которого в зимнюю спячку температура тела
может упасть ниже точки замерзания. И никаких кристаллов. Но как это у него
получается – пока неизвестно. Ужеобразная подвязочная змея последней из
американских змей уходит на зиму в укрытие и первой при потеплении из него
выходит. Она зимует в каменистых расщелинах при 4-5 градусах тепла. Биение ее
сердца замедляется до 6 ударов в минуту (в десять раз реже, чем в летний
солнечный день). В мороз подвязочные змеи тоже могут превращаться в лед. Но
даже после одного или двух дней в “морозилке” теплое солнце оживляет
рептилию. Подвязочные змеи зимуют и в воде: описан случай, когда сотни змей
заползали осенью в цистерну и ждали, пока она наполнится водой. Вероятно, кожа
змеи, наподобие легкого, извлекает кислород из воды. Конечно, это очень мало:
сердце животного бьется лишь раз в минуту, а обмен веществ сильно замедляется.
Как долго зимуют под землей роющие млекопитающие, зависит от того, насколько холодно
снаружи. Но и зимой время от времени температура их тела поднимается почти с
нуля до нормальной, и они просыпаются на несколько часов или даже на целый
день. Как часто просыпается грызун перогнат, зимующий вместе с запасом пищи?
Американский исследователь оставлял перогнату 800 граммов семян, и он
просыпался каждый день. Когда же семян давали всего 100 граммов – тот дремал по
пять дней. Но зачем вообще просыпаться? Ведь спячка должна сохранять энергию, а
80 – 90 ее процентов животные зимой расходуют, именно когда просыпаются.
Возможно, они просто боятся проспать весну. Например, когда просыпается
земляная белка Белдинга, она сразу спешит потрогать земляную пробку,
закрывающую вход в нору. Теплая земля означает приход весны. Когда в
экспериментах пробку нагревали, белки сразу же рыли ход наружу. Причем с
приближением весны белки просыпаются все чаще и чаще. Возможно, их будят не
только биологические часы, но и накопившиеся в организме ядовитые вещества,
которые надо время от времени удалять. Перья с пухом, шерсть, слой подкожного
жира – почти все животные холодных краев имеют какую-нибудь защиту от мороза.
Некоторые грызуны, землеройки и кролики вырабатывают при похолодании особое
вещество, именуемое коричневым салом. Оно дает много энергии, потому что насыщено
митохондриями – микроскопическими устройствами в клетках, чья единственная
задача – превращать пищу в тепло.
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Василеостровского района Санкт-Петербурга
Гимназия № 642 «Земля и Вселенная»
ТЕМА: «ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ СВЕХРНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР»
Выполнили ученики 10 бета класса
Шлыков Ф.В. и Ильяшевич А.С.
Преподаватель: Степанькова Т.П.
Что же такое физика низких температур? Что она изучает? Чем она занимается? Как она развивалась? Вот об этом коротко пойдет речь в первой части нашей работы.
Цель этого доклада очень проста: мы хотим понятно и доступно объяснить то, что заставляло ученых ломать головы много десятков лет. Так же надеемся, что хотя бы что-то из последующего рассказа останется у вас в памяти и вы заинтересуетесь этой темой.
Физика низких температур изучает физические процессы, протекающие при очень низких температурах, вплоть до абсолютного нуля, занимается изучением свойств материалов и изучением поведения живых организмов при этих низких и сверхнизких температурах, она связана со многими областями науки и техники.
Вы, наверное, привыкли к тому, что температура определяется в градусах Цельсия, но согласно Международной системе единиц она измеряется в Кельвинах, так как шкала Кельвина более совершенна и практична. Так, температура кипения жидкого кислорода по шкале Цельсия составляет -183 °С , а по шкале Кельвина 90 К , температура кипения жидкого азота -196°С или 77 К, температура кипения жидкого водорода -253°С или
20 К, температура кипения жидкого гелия -269°С или 4К. (Далее будут приводиться значения температур, округленные до целых величин).
Абсолютному нулю 0 К, по шкале Цельсия соответствует температура минус 273°С.
Ниже этой температуры не бывает во всей вселенной.
Как у каждого раздела физики, здесь присутствуют свои термины. Например: техника, с помощью которой получают столь низкие температуры, называется криогенной техникой. Известно, что “крио” в переводе на русский язык означает “холод”, а “гениум” – “рождение”, значит криогенная техника – это техника порождающая, или вырабатывающая холод. А сжиженные газы, полученные с помощью этой техники, называют криогенными жидкостями. Впоследствии же мы встретим еще некоторые, и если вам будет что-то непонятно, то вы всегда можете задать вопрос ,и мы постараемся на него ответить
Итак, не стоит затягивать вступление, ведь самое интересное впереди.
Определение физики низких температур
Физика сверхнизких температур- раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (-182,97° С, 90,19 К). Большинство обычных веществ с понижением температуры сначала переходит из газообразного состояния в жидкое, а затем из жидкого – в твердое. Поэтому получение, поддержание и изучение низких (криогенных) температур связано в первую очередь с ожижением газов и замораживанием жидкостей. В низкотемпературных исследованиях обычно пользуются ваннами из ожиженных газов.
Первая возможность ожижения газов
Первым систематически исследовать низкотемпературные проблемы и возможности ожижения газов начал в 1823 М.Фарадей. Он показал, что многие газы, например хлор, диоксид серы и аммиак, могут быть ожижены и при этом достигаются низкие температуры (до -110° С). Но многие другие газы, в частности кислород, азот, водород, углекислый газ и метан, не поддавались ожижению его методами даже при крайне высоких давлениях, за что позднее получили название постоянных газов.
И только в 1877 Л.Кальете (Франция) и Р.Пикте (Швейцария) сообщили о том, что им удалось впервые ожижить один из постоянных газов – кислород. Теми методами, которыми действовали эти первые исследователи, можно было получить лишь легкий туман из жидкого кислорода, а таких количеств было недостаточно для экспериментов. Тем не менее их трудами было положено начало физике низких температур и показано, что постоянные газы не следует рассматривать как неожижаемые.
Получение первых постоянных сжиженных газов
К 1887 К.Ольшевскому и З.Врублевскому в Краковском университете и Дж.Дьюару в Лондонском королевском институте удалось получить в жидком виде многие постоянные газы, в том числе кислород, азот и моноксид углерода, в таких количествах, которые позволяли провести точные измерения и установить их низкотемпературные свойства.
В 1894 Г.Камерлинг-Оннес в Лейденском университете (Нидерланды) построил установку для ожижения воздуха. Она тоже работала по каскадной схеме, которой ранее пользовались Пикте и Ольшевский с Врублевским. Криогенная лаборатория, которой заведовал Камерлинг-Оннес, позднее стала выдающимся центром физики низких температур.
В 1895 У.Гемпсон (Англия) и К. фон Линде (Германия) независимо друг от друга разработали новый метод ожижения воздуха, а затем более совершенные методы ожижения воздуха были найдены Ж.Клодом во Франции и К.Гейландтом в Германии. Этими работами был заложен фундамент промышленности разделения газов, в которой результаты низкотемпературных исследований нашли самое важное и самое широкое техническое применение.
Каскадный процесс был предложен швейцарским физиком Пикте и применен Ольшевским, Камерлинг-Оннесом и другими исследователями для достижения низких температур путем ожижения кислорода, азота и воздуха. Суть его в том, что температура понижается ступенями при помощи нескольких рефрижераторов компрессионного типа с разными рабочими веществами. Принцип действия одной ступени каскадного процесса поясняется схемой рис. 1. Сначала выбирается вещество (аммиак, диоксид серы, диоксид углерода или метилхлорид), которое можно ожижить при комнатной температуре (температуре водяной ванны на рис. 1) только за счет сжатия. Особенности процесса таковы: 1) газ сжимается компрессором так, что превращается в жидкость в змеевике бака системы водяного охлаждения; 2) теплота сжатия отводится системой водяного охлаждения; 3) образовавшаяся жидкость пропускается через клапан в испаритель, где кипит при пониженном давлении (тепло, необходимое для испарения, отбирается у окружающей среды, и возможностями такого отбора тепла определяется холодопроизводительность машины); 4) испарившийся газ поступает на вход компрессора и снова сжимается. (Приложение1,рис. 1)
Рабочим веществом первой ступени трехступенчатого каскадного процесса, примененного Камерлинг-Оннесом, был метилхлорид, а второй ступени – этилен. Первый испаритель служил для охлаждения входного сжатого этилена второй ступени, который ожижался в змеевике, погруженном в жидкий метилхлорид (-90° С). Испаритель второй ступени поддерживался при температуре около -160° С. В нем ожижался сжатый воздух третьей ступени.
Каскадный процесс, ныне устаревший, непригоден для ожижения водорода и гелия. Дело в том, что нет криогенной ванны, которая обеспечивала бы температуру испарителя, необходимую для ожижения водорода или гелия только путем сжатия.
Методы Гемпсона и Линде
Принцип, положенный в основу методов Гемпсона и Линде, был подсказан открытием, сделанным Дж.Джоулем и У.Томсоном (Кельвином). В 1852 Джоуль и Томсон обнаружили, что при истечении сжатого газа, находящегося при комнатной температуре, через сужение трубопровода, например через полузакрытый клапан или пористую пробку, изменяется температура газа – большинство газов охлаждается, а некоторые (водород) слегка нагреваются. Позднее было уточнено: охлаждаются все газы, если достаточно низка их температура перед сужением. Температура, при которой эффект меняется на обратный (нагревание вместо охлаждения), получила название температуры инверсии. Она равна приблизительно 620° С для кислорода, 460° С для азота, -85,5° С для водорода и -222,7° С для гелия. (ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Рис. 2)
Метод ожижения воздуха, разработанный Линде, отличается от метода Гемпсона лишь конструкцией теплообменника. Теплообменник установки Линде состоял из двух стальных труб диаметром 4 и 10 см и длиной 100 м, вставленных одна в другую и свернутых в спираль. Вся система была теплоизолирована овечьей шерстью. Сжатый воздух проходил сначала по внутренней трубе, а затем шел обратно по кольцевому зазору между трубами.
Схема ожижителя, предложенного Гемпсоном, представлена на рис. 2. Воздух сжимается компрессором до давления 20 МПа и при комнатной температуре подается в теплообменник. Последний представляет собой герметичный металлический резервуар цилиндрической формы (теплоизолированный снаружи) со змеевиком внутри. Сжатый воздух, пройдя по змеевику, истекает через дроссельный клапан и при этом расширяется. Поскольку температура инверсии кислорода и азота намного выше комнатной, газ при расширении охлаждается. Охладившийся газ возвращается к компрессору уже через рубашку теплообменника, где, омывая змеевик, охлаждает сжатый воздух, идущий от компрессора. Благодаря наличию теплообменника обеспечивается регенерация (использование холода, производимого в самом процессе), и, непрерывно циркулируя, газ, истекающий из дросселя, в конце концов охлаждается настолько, что ожижается. В описанной простой машине при начальном давлении на клапане, равном 20 МПа, ожижается около 8% газа, циркулирующего в установке.
Ожижение водорода и гелия
По тому же принципу, что и воздушные ожижители Гемпсона и Линде, действовали ожижитель водорода, созданный Дьюаром, и ожижитель гелия, сконструированный Камерлинг-Оннесом. Из-за низкой температуры инверсии приходилось охлаждать газ высокого давления на входе в теплообменник. Для водорода наиболее эффективным оказалось предварительное охлаждение газа, поступающего под давлением 15 МПа, жидким воздухом, кипящим при пониженном давлении (температура ниже -200° С). В случае гелия максимальная эффективность достигалась при давлении 3 МПа, а температура предварительного охлаждения, равная -259° С, поддерживалась за счет кипения жидкого водорода, тоже при пониженном давлении. Схема ожижителя Дьюара представлена на рис. 3.
(Приложение 1 Рис. 3)
В методе, разработанном Клодом и Гейландтом, для охлаждения была применена поршневая машина, в которой сжатый газ расширяется, совершая работу против внешних сил. Если такое расширение происходит в адиабатических условиях (т.е. без теплообмена с окружающей средой, что приблизительно выполняется при быстром расширении), то газ совершает работу за счет своей внутренней энергии. Уменьшение внутренней энергии газа проявляется в понижении его температуры. Схема установки представлена на рис. 4. Воздух, поступающий под высоким давлением из компрессора, проходит через первый теплообменник E1, после чего его поток разделяется. Около 20% идет на теплообменник E2, а остальная часть подается на расширительную машину, или детандер, где воздух охлаждается. С выхода детандера охлажденный воздух отводится на сторону низкого давления теплообменника E2, где он регенеративно охлаждает поступающий газ высокого давления. Охлажденный газ с температурой около -140° С, выходящий из E2, поступает на вход теплообменника E3, а затем проходит через дроссельный клапан и ожижается, как и в установках Гемпсона и Линде. Последняя стадия процесса, на которой используется эффект Джоуля – Томсона, введена для предотвращения ожижения в детандере, так как последнее вызвало бы трудности со смазкой.(Приложение 2 Рис. 4)
При дальнейшем усовершенствовании данного метода поршневой детандер был заменен турбинным (турбодетандером). Метод Клода был применен также для ожижения гелия Капицей и Коллинзом. Первый предварительно охлаждал гелий жидким азотом, а второму удалось обойтись без предварительного охлаждения благодаря системе двух поршневых детандеров. Детандеры работали без смазки (так как их рабочая температура составляла -244 и -263° С), а для уменьшения износа цилиндров последние были выполнены из азотированных сталей (нитраллоев).
Метод Саймона для гелия
Почти так же, как и в методе ожижения, предложенном Кайлете, в методе Саймона используется адиабатическое расширение сильно сжатого газа. Такой метод очень подходит для ожижения гелия, поскольку благодаря низким рабочим температурам (от -262° С в начале расширения до -269° С в конце) теплоемкость сосуда ничтожно мала по сравнению с теплоемкостью газа. Схема ожижителя представлена на рис. 5. Газообразный гелий сжимается в толстостенном медном сосуде до давления около 15 МПа и охлаждается до -262° С (11 К) твердым водородом, который находится в сосуде, расположенном непосредственно над сосудом с гелием. Стадии процесса таковы: 1) теплота сжатия гелия отбирается водородом; 2) сжатый гелий теплоизолируется от окружающей среды путем откачки металлической вакуумной рубашки сосуда и в газообразном виде выпускается через узкую трубку в газгольдер, находящийся при комнатной температуре; 3) при расширении в газгольдере гелий ожижается, и жидкость примерно на 70% заполняет медный сосуд. (Приложение 2 рис.5)
Температуры до -261° С (12 К) и ниже можно также получать и поддерживать при помощи механических криорефрижераторов, без ожижения газов. Такие рефрижераторы все шире применяются в низкотемпературных исследованиях. Недавно они были усовершенствованы путем применения цикла Стирлинга в маломасштабной криорефрижераторной технике и использования цикла Вюйлемье. Вариант криорефрижератора с циклом Стирлинга, предложенный Дж.Даунтом, схематически изображен на рис. 6. Компрессор снабжен ребрами для теплообмена с окружающей средой, а поршневой детандер находится в прямом теплообмене с охлаждаемым телом (нагрузкой). Компрессор соединен с детандером через регенератор без промежуточных клапанов. Рабочим веществом служит, как правило, газообразный гелий под давлением около 1,5 МПа. Компрессор и детандер работают со сдвигом по фазе ок. 90°, благодаря чему детандер поддерживает режим чистого охлаждения. В одноступенчатой схеме, представленной на рис. 6, предельная температура составляет -253° С (20 К). Каскадная система из устройств подобного типа позволяет достичь еще более низких температур при высоком КПД. (Приложение 3 Рис. 6.)
Платиновые термометры сопротивления
Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводниковых материалов от температуры. Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллендара-Ван Дьюзена (en), с известными коэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы в международном стандарте МЭК 60751 В диапазоне 0,3–5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5–5,2 К (шкала 4He, 1958) и 0,3–3,3 К (шкала 3He, 1962). Зависимость ps (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.
В области Низких температур для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К — медный; в области водородных и гелиевых температур — вплоть до 1 мК — угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.
Принцип действия основан на измерении давления жидкости или газа, которое меняется при изменении температуры. Шкала манометра градуируется непосредственно в единицах температуры. Манометрические термометры (газовые и конденсационные) довольно широко используются для лабораторных и технических измерений криогенных температур. Главным преимуществом газовых термометров является возможность их применения без предварительной градуировки в широкой области температур. Например, гелиевый термометр может перекрыть всю область температур от 90 до 1 К.
Термометры магнитной восприимчивости
Термометры магнитной восприимчивости применяются для измерения температур ниже 1 К. В магнитной термометрии пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости парамагнитной соли. Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК. При измерении криогенных температур большое внимание следует уделять методическим погрешностям измерения, которые определяются особенностями теплообмена чувствительного элемента термопреобразователя не только с измеряемой средой, но и с окружающей и элементами конструкции установки.
Измерения удельной теплоемкости твердых веществ при низких температурах, проведенные В.Нернстом и Камерлинг-Оннесом с сотрудниками, убедительно свидетельствовали в пользу квантовой теории. Результаты измерений подтвердили предложенную А.Эйнштейном и видоизмененную П.Дебаем теорию, которая была основана на законах квантовой физики. На рис. 7 представлен график зависимости удельной теплоемкости Cv золота, меди и алюминия от температуры. Температура отложена в градусах шкалы Кельвина, теперь называемой термодинамической шкалой, по которой точке плавления льда соответствует температура 273,16 К. Низкотемпературные измерения удельной теплоемкости дали много ценной информации о твердом состоянии вещества. Два наиболее важных вывода таковы: во-первых, электроны в металлах вносят свой вклад в удельную теплоемкость, причем он прямо пропорционален термодинамической температуре, как это теоретически предсказал А.Зоммерфельд; во-вторых, измеряя удельную теплоемкость, можно исследовать те изменения кристаллической и молекулярной структуры, которые часто происходят в твердых веществах при понижении температуры.(Приложение 3 рис. 7)
Низкотемпературные измерения удельной теплоемкости газов внесли ясность в вопрос об их молекулярном строении, а в случае водорода и дейтерия дали информацию о свойствах ядер этих элементов. Был разработан также метод расчета химического равновесия на основе третьего начала термодинамики. Трудно переоценить значение низкотемпературных калориметрических измерений для разработки новых химических процессов, а также для анализа оптимальных условий их протекания.
ЯМР И МРТ
Физика сверхнизких температур служит для работы ЯМР. В ядерно магнитном резонансе используют главным образом, гелий или другой газ. Газ используют для охлаждения проводников и мощных электромагнитов. Также эта наука помогает и в медицине, ведь всем известная МРТ (магнитно-резонаная томография) работает по такому же принципу как и ядерно-магнитный резонанс. (приложение 4 рис.8)
Ускорители частиц и OVERCLOCKING
Еще открытия физики сверхнизких температур позволяют работать ускорителям частиц. В современных ускорителях используются электромагниты с катушкой из сверхпроводящего материала, работающие при температуре жидкого гелия.
Также, используют жидкий азот в соревнованиях по оверклокингу. Суть состязания заключается достижении максимальной частоты стабильной работы процессора. При таких частотах комплектующие сильно нагреваются. Поэтому для предотвращения перегрева используют мощный хладагент – азот. ( приложение 4 рис.9)
Сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже лямбда-точки (T = 2,172 К) была экспериментально открыта в 1938 году П. Л. Капицей (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Уже до этого было известно, что при прохождении этой точки жидкий гелий испытывает фазовый переход, переходя из полностью «нормального» состояния (называемого гелий-I) в новое состояние так называемого гелия-II, однако только Капица показал, что гелий-II течёт вообще (в пределах экспериментальных погрешностей) без трения. Теория явления сверхтекучего гелия-II была разработана Л. Д. Ландау (Нобелевская премия по физике за 1962 год). Конденса́т Бо́зе — Эйнште́йна Конденса́т Бо́зе — Эйнште́йна – агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина). В таком, сильно охлаждённом, состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Теоретически предсказан как следствие из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе в 1925 году. 70 лет спустя, в 1995 году, первый бозе-конденсат был получен в Объединённом институте лабораторной астрофизики (JILA) (относящемся к Университету штата Колорадо в Боулдере и Национальному институту стандартов) Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до 170 нанокельвин (нК) (1,7·10−7 кельвин). За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле из Массачусетского технологического института, была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.
Как показали низкотемпературные измерения, электросопротивление чистых металлов приблизительно линейно уменьшается с понижением температуры. На рис. 10 представлен график температурной зависимости удельного сопротивления r (отнесенного к удельному сопротивлению r0 при 0° С) для платины, меди и железа. При температурах, приближающихся к абсолютному нулю, удельное сопротивление этих металлов стремится к постоянному значению. Это остаточное сопротивление при достаточно низких температурах зависит от содержания примесей в металле и от степени его деформации. Чем меньше примесей и чем меньше деформация, тем меньше и остаточное сопротивление. В 1911 Камерлинг-Оннес сделал важное открытие: электросопротивление ртути резко падает до нуля при температурах ниже 4,24 К (-268,9° С). Это явление, названное сверхпроводимостью, продемонстрировано на графике рис. 11. Позднее эффект сверхпроводимости был обнаружен и во многих других металлах. Сверхпроводимость и сейчас остается предметом углубленных исследований, экспериментальных и теоретических. Последовательную теорию сверхпроводимости предложили в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер. Эффект нашел применение в измерительной и вычислительной технике, в сверхпроводящих магнитах и других устройствах. (Приложение5,Рис.10. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ)(Приложение5 Рис.11 СОПРОТИВЛЕНИЕ РТУТИ).
Самая низкая температура, 2·10–9 K (двухбиллионная часть градуса) выше абсолютного нуля, была достигнута в двухступенчатом криостате ядерного размагничивания в Лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, группой учёных под руководством профессора Олли Лоунасмаа (род. в 1930 г.), о чём было объявлено в октябре 1989 г.
В настоящей курсовой работе по теме : ” физика сверхнизких температур” были поставлены цели ответить на такие вопросы как: что же такое физика низких температур? Что она изучает? Чем она занимается? Как она развивалась?
Это раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние.
Физика низких температур изучает физические процессы, протекающие при очень низких температурах, вплоть до абсолютного нуля. Она занимается изучением свойств материалов и изучением поведения живых организмов при этих низких и сверхнизких температурах, она связана со многими областями науки и техники.
Физика сверхнизких температур развивалась поэтапно. Все начиналось с 1823 г. когда М.Фарадей впервые продемонстрировал возможность ожижения таких газов как аммиак и хлор, но др газы не поддавались ожижению. Только к 1877 г. ученые смогли ожижить кисолрод и то, это был лишь легкий туман. Через 18 лет, в 1895 г. ученые смогли получить жидкую форму всех постоянных газов, включая водород и гелий.
Прошло 123 года, но свойства веществ при сврехнизкихнизких температурах изучают до сих пор.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:
рис.2 рис.3
Современные термометры
На сегодняшний день существует много видов термометров:
цифровые, электронные, инфракрасные, биметаллические, дистанционные, термометры
сопротивления, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые,
пирометры и т.д. Из всего этого многообразия наиболее популярными являются
ртутные и спиртовые.
Исходя из потребностей, на сегодняшний день можно купить
любой необходимый бытовой термометр. На товарном рынке представлено большое
разнообразие термометров различного назначения: медицинские, уличные, оконные
для любого вида окон (пластиковых или деревянных), комнатные термометры для
офиса и дома, для саун и бань, для чая и воды, для аквариумов, для почвы, для
автомобилей и т.д. И даже термометры для инкубаторов, морозильных камер, винных
погребов. Термометры на любой вкус! Цена во многом зависит от вида термометра.
Наибольшей популярностью пользуются самые простые измерительные приборы,
поскольку их стоимость отличается особенной демократичностью.
История изобретения термометра
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео
Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав
его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с
припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду.
Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под
действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При
потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то,
что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или
охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп
Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой
флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с
водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на
расширении спирта при нагревании, – теперь показания не зависели от
атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг
с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не
учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух
крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д.Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На
шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F – температура
замерзания солевого раствора, 96 ° – температура тела человека, верхняя 212 ° F
– температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных
странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в
1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала
может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив,
что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5: 1, расширяется в
отношении 1000: 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения
воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 °
температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном
атмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу
для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был
разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была
обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде
шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником
К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий
шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И.Г. Ламберту
принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус
принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки
создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П.
Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры
плавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал
значительно увеличилось. По данным “Пилометрии” Ламберта на тот
момент их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то,
что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским
ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала.
Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им
температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это
– 273,15 °С.