Criogenica

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Heliu lichid într-un vas de sticlă, sub vid, heliul este la presiune atmosferică la 4,2 K. Bulele sunt vizibile

Criogenica este o ramură a tehnologiei care se referă la studiul, producția și utilizarea temperaturilor foarte scăzute. Criogenica a avut și continuă să aibă o importanță considerabilă în fizică și chimie . Etimologia cuvântului criogenică derivă din grecescul κρύος + γονική, care înseamnă „generație de frig”, totuși termenul este sinonim cu o stare de temperatură scăzută.

Nu este bine definit în ce punct se termină refrigerarea la scară de temperatură și unde începe criogenica. NIST , agenția federală americană care se ocupă de tehnologii, a ales să ia în considerare domeniul criogeniei cel care se referă la temperaturi sub 93 K (-179,85 ° C ). Aceasta este o alegere rezonabilă, deoarece punctele de fierbere tipice ale gazelor numite în mod obișnuit criogenice (cum ar fi heliu , hidrogen , neon , azot , oxigen și aer ) sunt sub 93 K, în timp ce agenții frigorifici obișnuiți, cum ar fi freonul , amoniacul, au puncte de fierbere peste 93 K. Deși alți autori [1] consideră că limita de temperatură mai mare este de 123 K.

Descoperirea de noi materiale supraconductoare cu temperaturi critice semnificativ mai mari decât punctul de fierbere al azotului lichid a stârnit un nou interes pentru producția de lichide de răcire la o temperatură mai mare decât azotul lichid. Din acest motiv, a fost introdusă definiția criogeniei la temperaturi ridicate , care descrie temperaturi în intervalul de temperatură de la punctul de fierbere al azotului lichid 77 K (-196 ° C) până la 223 K (-55 ° C) [2] .

În criogenică, scara Kelvin este frecvent utilizată în locul scării Celsius . Scara Kelvin folosește zero absolut ca zero al scalei și, prin urmare, 0 K este egal cu -273,15 ° C.

Definiții și distincții

Criogenica
ramura fizicii și ingineriei care se ocupă cu studiul temperaturilor foarte scăzute, modul de producere a acestora și studiul comportamentului materialelor la aceste temperaturi.
Cribiologie
ramura biologiei care studiază efectul temperaturilor scăzute asupra organismelor vii, adesea cu scopul conservării acestora ( crioconservare ). Un interes deosebit este conservarea materialului genetic în scopuri reproductive.
Criochirurgie
ramura chirurgiei care se ocupă cu distrugerea țesuturilor biologice anormale sau bolnave.
Crionică
este o tehnică foarte rapidă de conservare a azotului lichid pentru conservarea la temperaturi scăzute ( crioconservare ) a oamenilor și animalelor, pe care medicamentul nu este încă capabilă să le mențină în viață, cu speranța că în viitor va fi posibilă refacerea funcțiilor lor vitale și vindecarea lor . În presa neștiințifică, această tehnică este adesea numită eronat criogenică [3] .
Rezervor care conține azot lichid

Fluide criogenice

Punctul de fierbere la presiunea atmosferică în kelvini [4] a multor fluide criogenice.

Fluid Punct de fierbere (K)
Heliu-3 3.19
Heliu-4 4.214
Hidrogen 20.27
Neon 27.09
Azot 77,36
Aer 78,8
Fluor 85,24
Argon 87,24
Oxigen 90,18
Metan 111,7

Date importante în criogenie

Aplicații industriale

Supapă criogenică
Transport de heliu lichid dewar

.

Aerul lichid, azotul lichid și heliul lichid sunt utilizate în multe aplicații criogenice. Azotul lichid este cel mai ieftin și cel mai utilizat lichid criogen și este destul de răspândit în întreaga lume. În timpul Războiului Rece , heliul lichid folosit pentru a atinge temperaturi mai scăzute a fost considerat un material strategic, iar Statele Unite nu l-au comercializat cu țările aliate ale Uniunii Sovietice .

Aceste lichide sunt depozitate în recipiente speciale (dewar) , care sunt recipiente cu doi pereți separați prin vid mare. Numele dewar vine de la descoperitorul său James Dewar, care este cel care a lichefiat și hidrogenul pentru prima dată. Dewarele tipice de laborator au fundul emisferic, adesea din sticlă și protejat la exterior de un recipient metalic. Dewars cu heliu sunt adesea realizate cu un recipient dublu izolat: cel mai exterior conține azot lichid și heliu lichid interior izolat. De vase tip Dewar de transport pentru heliu sunt acum cu un singur vas cu pereți dubli, dar spațiul gol este umplut cu foi subțiri de aluminizat milar , care este numit în mod obișnuit de izolare super, care să evite utilizarea azotului lichid, datorită reducerii radiat căldură care este forma primară de intrare termică prin pereți.

Pentru a transfera lichide criogene de la un vas la altul, se folosesc tuburi speciale izolate sub vid numite tuburi de transfer.

Distilarea aerului

Distilarea aerului a fost probabil prima aplicație industrială a criogeniei. Toate gazele prezente în aer pot fi lichefiate la presiunea ambiantă prin scăderea temperaturii. Tabelul de mai sus listează temperaturile de fierbere ale diferitelor gaze prezente în aer. Apoi prin distilare fracționată se separă diferite gaze: mai întâi oxigen la 90,18 K, apoi argon la 87,35 K și în final reziduul este azot . Gazele produse prin această metodă au multe impurități, iar pentru unele aplicații necesită procese suplimentare de purificare.

Doar câteva companii concurează pentru liderul mondial în producția acestor gaze: franceza Air Liquide , italiana SOL spa și SIAD spa, germana Linde care a cumpărat britanicul The BOC Group și americanul Praxair , care controlează Rivoira SpA în Italia.

Procese criogene

Domeniul criogeniei s-a îmbunătățit în timpul celui de-al doilea război mondial , când oamenii de știință au descoperit că metalele aduse la temperaturi foarte scăzute prezentau o rezistență mai mare la uzură. Pe baza acestei teorii a întăririi criogenice, Ed Busch a fondat o industrie criogeneratoare comercială în 1966 în Detroit : Cryotech. Deși mai târziu Cryotech s-a contopit cu 300 Sub pentru a crea prima și cea mai mare companie criogenică din lume, inițial au inițiat posibilitatea creșterii duratei de viață a sculelor metalice cu 200-400% folosind stingerea criogenică mai degrabă decât stingerea prin căldură. Folosind azot lichid, Cryotech a formulat prima versiune a unui criogenerator. Din păcate pentru Cryotech, rezultatele au fost instabile, deoarece componentele au avut uneori șoc termic dacă au fost răcite prea repede. Unele componente din primele teste s-au spulberat chiar și din cauza temperaturilor foarte scăzute. În ultimii ani, tehnologia s-a îmbunătățit și a obținut rezultate din ce în ce mai stabile.

Procesul de tratament criogen nu este un substitut pentru tratamentul termic, ci mai degrabă o extensie a ciclului de întărire a materialului care implică încălzire și răcire rapidă. În mod normal, temperatura finală este cea ambiantă. Motivul este că de obicei este mai ieftin să nu aveți plante criogene. Dar în mod clar, având o temperatură finală de 77 K, se mărește intervalul de tratament. Nu toate aliajele au aceeași compoziție chimică, astfel încât importanța acestui tratament depinde și de istoricul termic și de utilizarea care trebuie făcută obiectelor. Un astfel de proces necesită adesea mai multe cicluri cald-rece și poate dura până la patru zile. Unele materiale care sunt moi și elastice la temperatura camerei (cauciucuri și materiale plastice de exemplu) devin dure și fragile la temperaturi scăzute, acest lucru face posibilă măcinarea la rece, ceea ce în engleză se numește cu un nume specific: criomilare .

Combustibili criogeni

O altă utilizare a criogeniei sunt combustibilii criogeni . În esență, acestea sunt oxigenul și hidrogenul, utilizate ca combustibil în rachete (deși este mai corect să identificăm oxigenul ca un combustibil ). De exemplu, naveta spațială folosește oxigenul criogenic și hidrogenul ca principal impuls pentru a intra pe orbită , precum și rachetele construite pentru programul spațial sovietic de Sergei Pavlovič Korolëv . Acest lucru s-a transformat în subiect de dispută cu rivalul său Valentin Glushko, care era și inginer, care a susținut că combustibilii criogenici nu erau practici pentru rachetele mari, precum nefericitul transportator N-1 .

Tupolev din Rusia își cercetează proiectul Tu-154 folosind combustibil criogen, cu inițialele Tu-155 . Avionul folosește gaze naturale lichefiate (sau GNL) și și-a făcut primul zbor în 1989.

Transportul gazelor naturale

Gazul natural este una dintre principalele surse de energie fosilă exploatate, alături de petrol și cărbune . Prezent în multe zone ale globului, pentru a ajunge în zonele de consum poate fi comprimat sau plasat în conducte, sau lichefiat (reducându-i volumul de aproximativ 600 de ori) și transportat cu navă GNL . Această a doua opțiune este preferată pentru călătoriile lungi.

Alte aplicații

Tomografie prin rezonanță magnetică

Tomografia prin rezonanță magnetică, indicată prin acronimul RMN, este o tehnică care necesită câmpuri magnetice stabile și deosebit de intense, care pot fi produse numai de magneții supraconductori. Magneții supraconductori folosiți sunt scufundați într-o baie lichidă de heliu. Practic toate sistemele folosesc supraconductori tradiționali. Această aplicare răspândită în întreaga lume occidentală a făcut ca heliul lichid să fie foarte popular.

Pompele criogenice

În procesele de creștere a firelor subțiri, tipice industriei semiconductoarelor , dar și a laboratoarelor de cercetare, este necesar un vid ridicat, cu puține reziduuri contaminante, cum ar fi oxigenul și apa. Presiunile foarte scăzute sunt realizate cu un sistem cu mai multe etape care are ca etapă finală foarte des o criopompă care menține o suprafață metalică la o temperatură foarte scăzută (aproximativ 10 K), acoperită în general cu substanțe cu un raport ridicat suprafață-volum pentru a mări debitul de aspirație. În general, aceste sisteme sunt foarte eficiente pentru eliminarea gazelor prezente în aer: apă , oxigen, argon și azot , mai puțin eficiente pentru hidrogen . Cu toate acestea, mediile în cauză sunt în general foarte mici, iar mașinile utilizate au puteri de răcire de câteva zeci de wați.

Senzori infrarosu

Senzorii cu infraroșu, numiți în mod obișnuit bolometre [9] , sunt mult mai sensibili dacă funcționează la temperaturi criogenice. De fapt, astfel de dispozitive își variază temperatura datorită efectului radiației electromagnetice pe care le absorb și pentru a putea măsura temperatura unui corp negru trebuie să aibă o temperatură mai mică decât corpul negru în sine. Mai mult, la temperaturi scăzute, capacitatea lor de căldură este mult mai mică și, prin urmare, devin mult mai rapide. Pentru a obține cea mai bună sensibilitate, acestea sunt, de asemenea, necesare pentru fracțiuni de kelvini (50 mK până la 300 mK), mai ales atunci când sunt utilizate în astronomie submilimetrică, cum ar fi Observatorul Spațial Herschel și Telescopul James Clerk Maxwell , deși operează cel mai frecvent între 4 și 100 K.

Crioconservare

Lichidele criogenice, de obicei azot lichid, sunt utilizate pentru anumite aplicații, cum ar fi conservarea anumitor alimente și vaccinuri . Procesul în cazul vaccinurilor se face prin scufundarea rapidă a acestora în azot lichid. Criogenii, cum ar fi azotul lichid, sunt utilizați și pentru aplicații de înghețare și răcire, cum ar fi congelarea produselor biotehnologice . Unele reacții chimice, cum ar fi cea utilizată pentru producerea statinelor , trebuie să apară la temperaturi de aproximativ 172 K. Pentru a stoca sângele din grupuri sanguine deosebit de rare, este obișnuit să le păstrăm în azot lichid.

Electronică la temperatură scăzută

Electronica tradițională bazată pe fizica semiconductorilor are cu siguranță unele avantaje în a fi utilizată la temperaturi scăzute, în special zgomotul termic scade liniar cu temperatura. Dar, în general, sub o anumită temperatură care depinde de dopaj , numărul purtătorilor de sarcină scade exponențial, iar semiconductorii se comportă ca niște izolatori . Materialele supraconductoare convenționale care funcționează în schimb la temperaturi criogenice (heliu lichid) fac posibilă crearea dispozitivelor cu proprietăți care nu pot fi realizate cu electronica convențională; elementul de bază al acestor dispozitive este joncțiunea Josephson și printre dispozitivele principale bazate pe joncțiunile Josephson trebuie cu siguranță să menționăm SQUID .

Contracția termică

Criogenica cu azot lichid se aplică pieselor metalice pentru a elimina oxidarea și vopseaua, acest rezultat se obține datorită capacității azotului lichid de a contracta substanța care acoperă această piesă metalică mai mult decât dimensiunea sa normală, în acest fel substanțele care trebuie îndepărtate sunt se crapa și se umflă permițându-le să fie eliminate mai ușor.

Notă

  1. ^ Bilstein, Roger E., Istoria tehnologică a vehiculelor de lansare Apollo / Saturn (NASA SP-4206) (The NASA History Series) , NASA History Office, 1996, pp. 89–91, ISBN 0-7881-8186-6 .
  2. ^ JM Nash, 1991, "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics", Proc. Of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 4, pp. 521-525.
  3. ^ Crionica NU este aceeași cu criogenica , la cryogenicsociety.org . Adus pe 5 martie 2013 .
  4. ^ SISTEME CRIOGENICE DE RANDALL BARRON McGraw-Hill Book Company
  5. ^ LP Cailletet, Lichefierea oxigenului , în Știință , vol. 6, 1877, pp. 51–52, DOI : 10.1126 / science.ns-6.128.51 .
  6. ^ P. Kapitza, Vâscozitatea heliului lichid sub punctul λ, în natură , vol. 141, 1938, p. 74.
  7. ^ JF Allen și AD Misener, Flow of Liquid Helium II , în Nature , vol. 141, 1938, p. 75.
  8. ^ Record mondial la temperaturi scăzute , la ltl.tkk.fi. Accesat la 5 mai 2009 ( arhivat la 18 iunie 2009) .
  9. ^ PL Richards, „Bolometre pentru infrarosu și unde milimetrice”, Journal of Applied Physics 76 , 1–36 (1994), DOI : 10.1063 / 1.357128

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85078650 · GND (DE) 4078299-2 · NDL (EN, JA) 00.572.767
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Criogenia&oldid=119601594 ”