Düşük sıcaklıkta büyülü fiziksel fenomen nedir
Yazar: Yang Wu Hao / Çin Bilimler Akademisi İnovasyon Enstitüsü, Havacılık ve Uzay Bilgileri
Ülkeyi bir soğuk hava dalgası süpürdü. Pekin'deki arkadaşlar, Sibirya'nın güçlü soğuk havasından "hediyeler" aldı. Sibirya'daki bu "büyük hediye paketi", kuzeydeki insanlara canlı bir faz değişimi rotası getiriyor - 2020'deki ilk kar. Doğru, mevsimlerin değişmesi, sıcaklık, rüzgar, don, yağmur ve karın değişmesi doğanın insanlara en iyi armağanlarıdır ve aynı zamanda insanların zengin maddi dünyayı anlamaları için bir pencere açar.
Sibirya'daki güçlü soğuk havayı, insanların hissedebileceği sıcaklık değişiminden "mutlak sıfıra" yakın son derece düşük sıcaklık dünyasına kadar, düşük sıcaklık dünyasının kapısını açmak için kullanıyoruz.
Bu kapıyı açmadan önce, öncelikle sıcaklık ölçeği kavramını tanıtalım. Sıcaklık ölçeği sıcaklık içindir, cetvelin mesafe için ne olduğu ve denge kalitedir.Sıcaklık ölçeği bir sıcaklık ölçüsüdür. Yaygın olarak kullanılan üç sıcaklık ölçeği vardır: Fahrenheit sıcaklık ölçeği, Santigrat sıcaklık ölçeği ve mutlak sıcaklık ölçeği. Fahrenheit sıcaklık ölçeği ve Santigrat sıcaklık ölçeği çok fazla açıklanmayacaktır.Her iki sıcaklık ölçeği de sıcaklık ölçüm maddesinin fiziksel özelliklerine bağlıdır ve toplu olarak ampirik sıcaklık ölçeği olarak adlandırılır. Mutlak sıcaklık ölçeği, sıcaklık ölçüm maddesine bağlı değildir. Carnot'un termodinamiğin ikinci yasasının teoremi ile tanımlanır.Ayrıca Kelvin sıcaklık ölçeği veya termodinamik sıcaklık ölçeği olarak da adlandırılır. Mutlak sıcaklık ölçeği, belirli bir hacme sahip ideal bir gaz kullanır ve basıncın sıcaklığa oranı sabittir. , Tüm ideal gaz basınç-sıcaklık eğrilerinin kesişme noktasının sıcaklığı mutlak sıfır olarak ayarlanmıştır, minimum aralık Celsius sıcaklık ölçeği ile aynıdır, birim Kelvin K'dir, ardından suyun üçlü nokta sıcaklığı (0.01 ) 273.16K'dır. Termodinamiğin üçüncü yasası, "mutlak sıfıra" sınırlı sayıda adımda ulaşılamayacağını belirtir.
Suyun farklı sıcaklık ve basınç koşullarında durumunu tanımlayan faz diyagramı
Üç sıcaklık ölçeğinin dönüşüm ilişkileri şunlardır:
Santigrat sıcaklık ölçeği (t) ile mutlak sıcaklık ölçeği (T) arasındaki ilişki T = t + 273.15
Santigrat (C) ve Fahrenheit (F) arasındaki ilişki F = 1.8C + 32'dir.
Sıcaklık ölçeğinin "cetveli" ile birlikte düşük sıcaklık dünyasının kapısını açalım ve 0 santigrat dereceden mutlak sıfıra yakın ne kadar sihirli fenomenler olduğunu görelim. Okuyucunun anlamasını kolaylaştırmak için, aşağıdaki içerik hem Santigrat sıcaklık ölçeğini hem de mutlak sıcaklık ölçeğini kullanacaktır.
0 , yani standart atmosferik basınç altında buz-su karışımının sıcaklığı Bu sıcaklık aynı zamanda insanlar için en yaygın faz geçiş olgusudur ve aynı zamanda insanların düşük sıcaklığa geçmeleri için en sezgisel deneyimdir. Sıcak yaz aylarında, bir bardak buzlu kola sizi ferahlatabilir.
Ancak, buz ve su karışımı, insanların düşük sıcaklık algısının yalnızca başlangıcıdır. Pekin'in en soğuk kış aylarında genellikle -10 ° C'ye veya daha da aşağıya ulaşabildiğini, Çin'in Mohe bölgesinde ise kışın genellikle -40 ° C'nin altında olduğunu bilmelisiniz. Bu sıcaklıkta, klinik termometre (cıva termometresi) başarısız olmuştur (cıva erime noktası -39 ° C'dir) ve dökülen kaynar su hızla buza dönüşecektir.
Aynı zamanda Mohe, Çin'deki en düşük sıcaklığın rekoru olan -52,3 'yu da elinde tutuyor. Dünya üzerindeki Antarktika'da kaydedilen en düşük sıcaklık -88,3 ° C'dir. Bu sıcaklıkta, standart atmosfer basıncındaki karbondioksit de kuru buza dönüşmüştür.
Bu noktada, temelde insanların tahammül edebileceği düşük sıcaklık sınırına ulaşmıştır. Ancak, kriyojenik dünya keşfimiz yeni başladı. Sıcaklık düşmeye devam ederken, havadaki çeşitli bileşenler yavaş yavaş sıvı hale gelir. Sıcaklık -183 ° C'ye (90.15K) düştüğünde oksijen açık mavi bir sıvıya dönüşmüştür. Sıcaklık -195,8 ° C'ye (77,35 K) düşmeye devam eder ve havadaki nitrojen de sıvı hale gelir. Ancak havadaki nitrojen oranının yüksek olması nedeniyle (% 78.03) sıvılaştırılması kolaydır. Bu nedenle, sıvı nitrojen soğutma genellikle biyolojik dokuları hızla dondurmak için kullanılır ve kriyoterapi ve kriyocerrahi için yiyecekleri dondurmak ve taşımak için kullanılabilir.
Buna ek olarak, sıvı nitrojenin ucuzluğundan dolayı (aynı hacimde sıvı nitrojen, aynı miktardaki Kokdan daha ucuzdur), bu nedenle sıvı nitrojen, bilimsel meraklılar tarafından yeni bir seviyeye kadar "oynanmıştır". Canlı balıkları sıvı nitrojene atın, sıvı nitrojene magma dökün, Coke'u sıvı nitrojene koyun ve kaynar suyu sıvı nitrojene dökün ... Sayısız sıvı nitrojen deneyi video sitelerinde doludur ve herkes bununla ilgilenir. aramak . 2014 yılında, "Buz Kovası Meydan Okuması" tüm dünyada popüler olduğunda, sıvı nitrojen fabrikasında çalışan bir Rus olan Anton Konovalov, "Buz Kovası Meydan Okuması" için delice sıvı nitrojen kullandı ve -1966 sıcaklıkta sıvı nitrojen ile doldurdu. Vücut, ancak sıvı nitrojen donmasına neden olmadı. (Editör size tehlikeyi hatırlatıyor, lütfen denemeyin)
Anton Konovalov kafasına bir kova sıvı nitrojen döktü
(Tehlikeli deney, lütfen taklit etmeyin! )
Mücadele eden etnik adam, kendi deneyleriyle herkese canlı bir şekilde anlattı Leiden Frost etkisi Yani, düşük sıcaklıktaki sıvı nitrojen, yüksek sıcaklıktaki cilde temas ettiğinde hemen buharlaşır ve buharlaşmanın oluşturduğu nitrojen, cildin sıvı nitrojene temas etmesini engelleyen cilt yüzeyinde bir buhar tabakası oluşturur. Öyle bile olsa değil Önermek Herkes körü körüne taklit eder Sonuçta eğer dikkatli olmazsanız sıvı nitrojen ile temas eden vücut dokularınız hızla donarak ölecektir.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
77K sıvı nitrojen sıcaklığından başlayın , Düşük sıcaklıktaki tuhaf fenomen yavaş yavaş zenginleştirilir . Sıcaklığı düşürmeye devam eden birçok gaz kademeli olarak sıvılaşır, ancak 18. yüzyılda düşük sıcaklık teknolojisinin sınırlamaları nedeniyle insanlar hidrojen ve helyum gibi sıvılaştırılamayan "kalıcı gazlar" olduğunu düşündüler. 1898'e kadar İngiliz fizikçi Dewar sıvı hidrojen üretti (sıvılaşma sıcaklığı -252.77 ° C veya 20.38K). 1908'de Hollanda'daki Leiden Üniversitesi Leiden Laboratuvarı'ndan Profesör Kamelin Honnes başarılı oldu. Bir çeşit "kalıcı gaz" -helyum sıvılaştırma (sıvılaştırma sıcaklığı, standart atmosferik basınç altında 4.215K'dır), Sıvı helyumun buhar basıncını düşürerek 1.15 ~ 4.25K gibi düşük bir sıcaklık elde edilir. O zamandan beri Profesör Onness, kriyojenik fizik dünyasının kapısını açtı. Sıvılaştırılmış helyum gazı üzerine yaptığı araştırmada, metal platinin direncinin minimumu geçtikten sonra artmaktansa 4.3K'da sabit kaldığı bulundu. Daha sonraki deneyler için Onnis, deneysel nesne olarak saflaştırılması daha kolay olan civayı seçti. Civayı doğrusal bir şekle sokmak için civayı -40 ° C'ye soğuttu; daha sonra sıcaklığı yaklaşık 4,2 K'ye düşürmek için sıvı helyum kullandı ve civa teline bir voltaj uyguladı; Sıcaklık 4.2K'dan biraz daha düşük olduğunda, civa direnci aniden kaybolur ve süper iletkenlik gösterir. Bu nedenle, süperiletkenliği inceleyen, süperiletkenlik araştırmasının temelini atan ilk kişi oldu ve böylece 1913 kazandı. Nobel ödül. Günümüzde süperiletkenlerin üç temel özelliği: tam iletkenlik, tam diyamanyetizma ve akı kuantizasyonu, süper iletken bobinler, süper iletken manyetik kaldırma trenleri ve süper iletken kuantum interferometreler gibi yaygın olarak kullanılmaktadır.
(Resim kaynağı: Baidu Ansiklopedisi)
Tam diyamanyetizma, Meissner etkisi, maglev trenlerinin teorik temelidir.
Zayıf manyetik alanları ölçmek için süper iletken Josephson etkisi ve manyetik akı kuantum fenomeni kullanan süper iletken kuantum interferometre
Daha düşük bir sıcaklığa ilerlemeye devam edin, Big Bang genişlemesi ve soğumasından sonra (mikrodalga arka plan radyasyonunun sıcaklığı) 2.7K olan mevcut sıcaklığa ulaşacağız. .
Sıcaklık düştükçe, Sıvı helyum 2.18K'da olacak Özelliklerde önemli bir değişiklik olacak ve süperakışkanlık (HeII), yani sıfır direnç veya sıfır viskozite elde edilecektir. Süper akışkan sıvı helyum, sıvı seviyesini kap seviyesinin içinde ve dışında yapmak için kap duvarı boyunca yukarı doğru akabilir. Ünlü "helyum filmi tırmanışı" deneyi . Ek olarak, termal iletkenlik bakırın 800 katıdır; özgül ısı kapasitesi, yüzey gerilimi ve sıkıştırılabilirliği anormaldir.
Sıvı helyumun bu süperakışkanlığı, Bose-Einstein Yoğunlaşması He atomu tamsayı spinli bir bozondur ve HeII, bozonlardan oluşan bir Bose gazı olarak kabul edilebilir.Farklı parçacıkların aynı kuantum durumunda olmasına izin veren Bose istatistikleri yasasına uyar. Sıcaklık kritik sıcaklık Tc'den daha düşük olduğunda, bazı parçacıklar aynı anda sıfır noktası titreşim enerjisi durumunda (yani, zemin durumu) olacaktır, buna yoğunlaşma denir.Sıcaklık ne kadar düşükse, sıfır noktası titreşim enerjisi durumuna yoğunlaşan parçacık sayısı o kadar fazla olur. Mutlak sıfırda, Tüm parçacıklar, sıfır noktası titreşim enerjisi durumuna yoğunlaşır, bu fenomene Bose-Einstein yoğunlaşması denir. Temel duruma yoğunlaştırılmış He atomları en düşük sıfır noktası titreşim enerjisine sahip olduklarından, Harika bir ortalama serbest yola sahiptir ve çok ince kılcal damarlardan neredeyse tıkanmadan geçebilir. .
4Faz diyagramı, faz diyagramı eğrisi 'ya benzer olduğu için faz diyagramı olarak da adlandırılır.
Sıcaklığı düşürmeye devam edin ve temelde 1K civarında sıcaklık bölgesine ulaştık.Sıcaklığı basitçe 4He'yi sıkıştırarak ve ardından sıvı helyumun buhar basıncını düşürerek düşürmek zordur. Bilim adamları, sıvı banyodaki helyum izotopu 3He'yi 0,3K'ye düşürmek için aynı yöntemi kullanıyor. Aslında. 3He ve 4He karışımı, 0.87K'nın üzerindeki bir sıcaklıkta herhangi bir oranda çözünebilir ve faz ayrımı 0.87K'nın altında gerçekleşir, yani daha fazla 3He içeren yoğun bir faza ve daha az 3He içeren seyreltik bir faza bölünür. Bir arayüz oluşturulur ve yoğun faz seyreltik fazın üzerinde yüzer. 3He atomları, 4He'nin süperakışkanlığından dolayı arayüz yoluyla yoğun fazdan seyreltik faza girdiğinde, 3He süperakışkan 4He'de sanki vakumdaymış gibi herhangi bir dirence sahip değildir. Sıradan sıvı, sıvı yüzeyden buharlaşarak gaza dönüşür ve ısıyı emmesi ve soğuması gerekir.Bu, seyreltmeli soğutmanın prensibidir. Seyreltme buzdolabı bu prensibi kullanarak seyreltik faz 3He-4He'yi kompresörden damıtarak 4He'yi ayırır ve ardından 3He'yi sirkülasyon sistemi aracılığıyla yoğun faza döndürür Seyreltme soğutma teknolojisini kullanarak 1.5mK'lik bir sıcaklığa ulaşabiliriz. şu günlerde, Seyreltme buzdolabı, yoğunlaştırılmış madde deneylerinde fizikçiler için güçlü bir araç haline geldi.
3Faz diyagramı ve seyreltme soğutma prensibi
Buzdolabının iç yapısını seyreltin, görünüşte basit olan yapısı içinde son derece hassas
Mutlak sıfıra doğru ilerlemeye devam edersek, seyreltmeli soğutma temelinde basıncı şimdiden artırabiliriz. 3He sıvı-katı faz geçişine girdiğinde endotermik etki (Pomeranchuk soğutma, sıvı 3He entropisi katı 3Heinkinden daha küçüktür), 1mK'ye ulaşabilir . kullanım Nükleer adyabatik demanyetizasyon, nükleer manyetik momenti spin polarizasyonundan kaotik yönelime değiştirir.Artan entropinin endotermik etkisi, nükleer spin sıcaklığını 50nK mertebesine düşürebilir. , Ancak kafes sıcaklığı hala mK düzeyinde.
Bu noktada, neredeyse insanların ulaşabileceği düşük sıcaklık sınırına ulaştık ama yine de mutlak sıfıra ulaşamıyoruz.Kuantum mekaniği perspektifinden kuantum dalgalanmaları sonsuzdur ve parçacıklar hareketsiz duramazlar. Kuantum dalgalanmaları olduğu için, Işık yine üretilecek ve yok edilecek.
Öyleyse, mutlak sıfıra ulaşılamadığına göre, mutlak sıfıra yaklaşma konusundaki sürekli arayışımızın amacı nedir? 0 ° C'den mutlak sıfıra yakın sürecimize dönüp baktığımızda, sıcaklık azaldıkça kademeli olarak farklı yoğunlaşma olaylarının meydana geldiğini açıkça görebiliriz. Fiziksel dilde anlatılan bu, tam olarak farklı simetrinin aşamalı olarak kırılmasının sonucudur. Pek çok cisim etkileşimi ve termal uyarılma nedeniyle makroskopik dünyada pek çok kuantum etkisinin gözlemlenemeyeceğini biliyoruz, ancak sıcaklık yavaş yavaş düştükçe, termal uyarma ile kapsanan kuantum fenomeni ve yoğunlaşma fenomeni yavaş yavaş ortaya çıkacaktır. Örneğin hava yavaş yavaş soğudukça, içindeki su buza dönüşmeye başlar ve soğuma devam eder.Havadaki karbondioksit, oksijen, nitrojen, hidrojen ve hatta helyum yoğunlaşır. 1K'nın altındaki son derece düşük sıcaklığa girerken birçok harika şey göreceksiniz. Kuantum fenomeni. Sıcaklık daha da düşürülürse, ne tür bir yoğuşma meydana gelir? Bu yeni yoğunlaşma fenomeni ne tür kuantum etkilerine neden olacak ve bize fayda sağlayabilirler mi? Bu, bilim adamlarının düşündüğü ebedi temadır ve aynı zamanda kriyojenik teknolojinin gelişimi için ebedi itici güçtür.
Çin Bilimler Akademisi, Havacılık ve Uzay Bilgi İnovasyonu Enstitüsü'nün katkılarıyla
Orijinal başlık: Kapıyı düşük sıcaklığa açın
Kaynak: Çin Bilimler Akademisi Pekin Şubesi
Editör: Kun
