Cryogenics definition og anvendelser

Kryogenik er defineret som den videnskabelige undersøgelse af materialer og deres opførsel ved ekstremt lav temperaturer. Ordet kommer fra det græske Cryo, hvilket betyder "koldt", og med gen, hvilket betyder "producerer". Udtrykket findes normalt i forbindelse med fysik, materialevidenskab og medicin. En videnskabsmand, der studerer kryogenik, kaldes en cryogenicist. Et kryogent materiale kan betegnes som a kryogene. Selvom kolde temperaturer kan rapporteres ved hjælp af en hvilken som helst temperaturskala, Kelvin og Rankine skalaer er mest almindelige, fordi de er absolutte skalaer der har positive tal.

Nøjagtigt hvor koldt et stof skal betragtes som ”kryogent” er et spørgsmål om en vis debat af det videnskabelige samfund. U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) anser kryogenisk for at omfatte temperaturer under -180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), som er en temperatur, over hvilken almindelige kølemidler (f.eks. Hydrogensulfid, freon) er gasser, og under hvilke "permanente gasser" (f.eks. luft, nitrogen, ilt, neon, brint, helium) er væsker. Der er også et undersøgelsesområde kaldet "kryogenik ved høj temperatur", som involverer temperaturer over kogepunktet

Måling af temperaturen på kryogener kræver specielle sensorer. Modstands temperaturdetektorer (FTU'er) bruges til at udføre temperaturmålinger helt ned til 30 K. Under 30 K bruges ofte siliciumdioder. Kryogene partikeldetektorer er sensorer, der fungerer nogle få grader over absolut nul og bruges til at detektere fotoner og elementære partikler.

Kryogene væsker opbevares typisk i apparater kaldet Dewar-kolber. Dette er dobbeltvæggede containere, der har et vakuum mellem væggene til isolering. Dewar-kolber beregnet til brug med ekstremt kolde væsker (for eksempel flydende helium) har en yderligere isolerende beholder fyldt med flydende nitrogen. Dewar-kolber er navngivet efter deres opfinder, James Dewar. Kolberne tillader, at gas slipper ud af beholderen for at forhindre, at trykopbygning koger, hvilket kan føre til en eksplosion.

Følgende væsker bruges oftest i kryogenik:

Der er flere anvendelser af kryogenik. Det bruges til at producere kryogene brændstoffer til raketter, herunder flydende brint og flydende ilt (LOX). De stærke elektromagnetiske felter, der er nødvendige for nuklear magnetisk resonans (NMR), produceres normalt ved superkølende elektromagneter med kryogener. Magnetisk resonansafbildning (MRI) er en anvendelse af NMR bruger flydende helium. Infrarød kameraer kræver ofte kryogen køling. Kryogen frysning af mad bruges til at transportere eller opbevare store mængder mad. Flydende nitrogen bruges til at producere tåge til specialeffekter og endda specialcocktails og mad. Frysematerialer, der bruger kryogener, kan gøre dem sprøde nok til at blive brudt i små stykker til genanvendelse. Kryogene temperaturer bruges til at opbevare væv og blodprøver og til at bevare eksperimentelle prøver. Kryogen afkøling af superledere kan bruges til at øge transmission af elektrisk kraft til storbyer. Kryogen behandling anvendes som del af nogle legeringsbehandlinger og til at lette kemiske reaktioner ved lav temperatur (for eksempel til fremstilling af statinlægemidler). Cryomilling bruges til at fræse materialer, der kan være for bløde eller elastiske til at formales ved almindelige temperaturer. Afkøling af molekyler (ned til hundreder af nano Kelvins) kan bruges til at danne eksotiske tilstande. Cold Atom Laboratory (CAL) er et instrument designet til brug i mikrogravitet til at danne Bose Einstein kondensater (ca. 1 pico Kelvin-temperatur) og testlove inden for kvantemekanik og anden fysik principper.

Cryogenics er et bredt felt, der omfatter flere discipliner, herunder:

Cryonics - Kryonik er kryokonservering af dyr og mennesker med det mål at genoplive dem i fremtiden.

Kryokirurgi - Dette er en afdeling af operation, hvor kryogene temperaturer bruges til at dræbe uønskede eller ondartede væv, såsom kræftceller eller mol.

Cryoelectronics - Dette er studiet af superledningsevne, hopping med variabelt interval og andre elektroniske fænomener ved lav temperatur. Den praktiske anvendelse af kryo-elektronik kaldes cryotronics.

Cryobiology - Dette er undersøgelsen af ​​virkningerne af lave temperaturer på organismer, herunder konservering af organismer, væv og genetisk materiale ved hjælp af nedfrysning.

Mens kryogenik normalt involverer temperatur under frysepunktet for flydende nitrogen, dog over temperaturen i absolut nul, forskere har opnået temperaturer under absolut nul (såkaldt negativ Kelvin temperaturer). I 2013 afkølede Ulrich Schneider ved Universitetet i München (Tyskland) gas under absolut nul, hvilket efter sigende gjorde det varmere i stedet for koldere!

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negativ absolut temperatur for bevægelsesgrader af frihed". Videnskab339, 52–55.
• Gantz, Carroll (2015). Køleskab: En historie. Jefferson, North Carolina: McFarland & Company, Inc. s. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nash, J. M. (1991) "Vortex-ekspansionsenheder til højtemperaturkryogenik". Proc. på den 26. konferencen Intersociety Energy Conversion Engineering, Vol. 4, pp. 521–525.