Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии). Изучение теплоёмкости, теплопроводности и др. тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при низких температурах даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и др. квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики низких температур.

Ослабление тепловых колебаний решётки при гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах. Применение низких температур играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса.

Охлаждение до сверхнизких температур применяется в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности. Низкие температуры применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих др. случаях.

Технические приложения низких температур.

В химической промышленности холод используют при производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов и т.д.

В нефтеперерабатывающей промышленности холод необходим при производстве высокооктановых бензинов, некоторых сортов смазочных масел и др.

Рост потребления искусственного холода имеет место и в газовой промышленности, например для сжижения природного газа, а также для извлечения из него в процессе первичной переработки легкоконденсирующихся фракций. Холодильные установки для химической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности часто достигают большой мощности (несколько Мвт) и вырабатывают холод в пределах очень широкого диапазона температур.

Искусственное охлаждение применяется и в машиностроении (например, для холодной посадки деталей), строительстве (замораживание грунтов), медицине, при сооружении искусственных катков круглогодичной эксплуатации, для опреснения морской воды и т.д.

Одна из главных областей применения низких температур в технике - разделение газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Применение жидких кислорода и азота многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе.

Низкие температуры используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладоагентом. Высокий вакуум и охлаждение до низких температур позволяют имитировать условия, характерные для космического пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих условиях.

Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и др. заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при низких температурах.

Др. направление технических применений низких температур связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (~ 103 кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (пузырьковых камер и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований.

На основе явления сверхпроводящего туннелирования разработаны сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, способные измерять чрезвычайно слабые электрические напряжения (~ 10-14 в), а также регистрировать очень малые изменения магнитного поля (~ 10-11 э). Н. т. играют также большую роль в квантовой электронике.

Каскадный метод охлаждения

Каскадный метод охлаждения - процесс переноса тепла от более низкого температурного уровня к более высокому (т. е. охлаждение), осуществляющийся в холодильной установке с помощью нескольких замкнутых последовательно действующих холодильных циклов. При каскадном методе охлаждения, относящемся к методам глубокого охлаждения, конденсация холодильного агента низкотемпературного цикла происходит в результате испарения холодильного агента следующего за ним более высокого по температуре холодильного цикла. Число циклов, как правило, не превышает 4, т.к. в противном случае конструкция установки значительно усложняется. Холодильные циклы могут использовать одинаковые или различные термодинамические принципы переноса тепла в циклах и различные холодильные агенты.

В конце 19 в. швейцарский физик Р. Пикте применил каскадный метод охлаждения для сжижения воздуха. Сконструированная им каскадная холодильная установка включала 3 холодильных цикла. В первом высокотемпературном двухступенчатом цикле в качестве рабочего тела применялся хлористый метил (CH3Cl), в среднем цикле - этилен (C2H4), в третьем цикле - кислород (O2). В дальнейшем каскадный метод охлаждения был усовершенствован и использовался для получения жидких водорода и гелия

Каскадный метод охлаждения применяют главным образом для получения температур до -110 градусов С в испытательных термокамерах и для технологических целей в химии, медицине, биологии и др.

Наибольшее распространение получил каскадный метод охлаждения с двумя парокомпрессионными циклами. В высокотемпературном цикле в качестве холодильного агента, обычно используется фреон 22 (CHClF2), а в низкотемпературном - фреон 13 (CF3Cl). Для получения температуры до -90 градусов С низкотемпературный цикл на фреоне 13 одноступенчатый, для температур ниже -90 градусов С - двухступенчатый. Перенос тепла от низкотемпературного цикла к высокотемпературному осуществляется в теплообменном аппарате (испарителе - конденсаторе) в результате конденсации низкотемпературного холодильного агента и кипения высокотемпературного холодильного агента. Пути совершенствования каскадного метода охлаждения -использование более эффективных холодильных агентов, улучшение конструкции компрессоров, повышение эффективности теплообменной аппаратуры.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М., 1974;

2. Справочник по физико-техническим основам криогеники, 2 изд., М., 1973.

3. А. Б. Фрадков.

4. Физика низких температур, пер. с англ. под общ. ред. А. И. Шальникова, М., 1959;

5. Уайт Г. К., Экспериментальная техника в физике низких температур, пер. с англ., М., 1961;

6. Земанский М., Температуры очень низкие и очень высокие, пер. с англ., М., 1968;