 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Joulova-Thomsonova jevu se v technické praxi používá ke zkapalňování plynu. Prvé zařízení na zkapalňování vzduchu zkonstruoval r. 1896 K. P. von Linde . V jeho zařízení je pórovitá stěna nahrazena škrtícím ventilem V a stacionární tok plynu přes tento ventil zajišťuje kompresor K (viz schéma na obr. 7-12).
Plyn stlačený kompresorem má zpravidla vyšší teplotu, než je pokojová teplota. Ochlazuje se proto nejprve v chladiči Cl, prochází chladičem C2 ke škrticímu ventilu V, za nímž se ochlazuje
[12] Kikoin, A. K., Kikoin, I. K.: Molekuljarnaja fizika, Nauka, Moskva 1976
Joulovým-Thomsonovým efektem, je-li teplota nižší než inverzní teplota Ti. Expanduje do zásobníku, ovšem jeho ochlazení není dostatečné k tomu, aby při prvních cyklech zkapalněl. Ochlazený a nestlačený plyn se vrací do sekundárního vedení chladiče C2, ve kterém předchlazuje primární proud plynu
Obr. 7-12
o vysokém tlaku. Nestlačený plyn vychází z chladiče C2, má přibližně pokojovou teplotu a je znovu stlačen kompresorem, do kterého je zároveň přisáván plyn zvnějšku. Tento cyklus se neustále opakuje, až se dosáhne toho, že za škrtícím ventilem V část plynu zkapalní.
Při kontinuálním zkapalňování vzduchu je teplota primárního proudu plynu před ventilem asi 170 K při tlaku asi 20 MPa, za ventilem asi 80 K při tlaku 0,1 MPa. Při zkapalňování vodíku nebo helia je nutno primární proud ochladit před vstupem do chladiče C2 pod inverzní teplotu těchto plynů. Toto předchlazení se provádí v dalším chladiči kapalným vzduchem (dusíkem) při zkapalňování vodíku. Helium se při zkapalňování předchlazuje až na teplotu 14 K.
Plyn je možno ochladit nejen pomocí Joulova-Thomsonova jevu, ale například též jeho adiabatickou expanzí. Obrácením chodu tepelného přístroje získáme chladicí stroj, který na úkor dodávané práce ochlazuje chladnější lázeň. Chladící stroje využívající expanze plynu lze použít pro různé obory teplot. Při nízkých teplotách je však třeba řešit obtížný technický problém s těsněním nádoby, v níž dochází k expanzi plynu, takzvaného detandéru. Detandér je nejčastěji konstruován jako válec s pohyblivým pístem. Nízká pracovní teplota vylučuje klasické způsoby těsnění kovovými pístními kroužky a mazání minerálním olejem. Proto až v roce 1934 byl zkonstruován P. L. KAPICOU (sovět, fyzik, 1894-1984) zkapalňovač helia využívající ochlazování při adiabatické expanzi. Technické řešení spočívalo v extrémním zmenšení mezery mezi pístem a válcem na šířku 50 um a méně. Tenká vrstva plynu proudící kolem pístu slouží jako mazací médium.
I v těchto zkapalňovačích s detanderem se vlastní zkapalnění realizuje pomocí Joulova-Thomsonova jevu. Ochlazení adiabatickou expanzí se využívá k předchlazení zkapalňovaného plynu pod inverzní teplotu. Zkapalňování plynu přímo v detandéru by činilo technické obtíže, i když je principiálně možné.
Přibližné schéma zkapalňovače s detanderem je nakresleno na obrázku 7-13. Plyn je stlačován kompresorem K na tlak asi 2 MPa, a protože při stlačení se ohřeje, je vodou ochlazován v chladiči C| na přibližně pokojovou teplotu. Stlačený plyn se přes protiproudy chladič přivádí k detandéru D. Přívod a odvod plynu do detandéru je řízen ventily. Asi 10 % plynu se před detanderem odvádí
ke škrtícímu ventilu V, za nímž se plyn ochlazuje Joulovým-Thomsonovým efektem, pokud je teplota plynu nižší než inverzní. Plyn odcházející ze sběrné nádoby N předchlazuje v protiproudem chladiči C3 plyn přicházející ke škrtícímu ventilu a v chladiči C2 pak spolu s plynem odcházejícím z detandéru
Obr. 7-13
předchlazuje primární proud plynu. Zvýšení výkonu zkapalňovače se dosahuje kaskádním řazením několika detandéru. Přibližně na dvojnásobek se výkon zvýší předchlazováním primárního proudu plynu kapalným dusíkem.
Běžný výkon technických zkapalňovačů bývá kolem 10 1 kapalného hélia za hodinu. Jejich chladicí výkon při teplotě 4,5 K bývá několik desítek wattů. Jsou však zkonstruovány zkapalňovače vyrábějící tisíce litrů kapalného helia za hodinu s chladicím výkonem 15 kW při teplotě 4,4 K. V nejvýkonnějších zkapalňovačích je používána jako detandér rychloběžná turbína.
Obdobně jako zkapalňovače jsou konstruovány kryogenerátory, které mají uzavřenou cirkulaci plynů a slouží jako termostaty až k teplotě asi 20 K.
Důležité fyzikální vlastnosti kryogenních kapalin jsou uvedeny v tabulce 7-5.
Tabulka 7-5 Vlastnosti kryogenních látek při normálním tlaku
|
Látka |
Teplota varu |
Teplota tuhnutí |
Tlak sytých par při tepl. tuhnutí |
Hustota |
Výparné teplo při bodu varu |
|
|
kapalina |
plyn |
|||||
|
K |
K |
kPa |
kg . m-3 |
kg . m-3 |
J . kg-1 |
|
|
O2 |
90,12 |
54,36 |
1,5 |
1 140 |
1 425 |
213 |
|
N2 |
77,32 |
63,14 |
12,9 |
810 |
1 026 |
199 |
|
H2 |
20,39 |
14,04 |
7,2 |
70 |
80 |
451 |
|
4He |
4,22 |
netuhne při |
125 |
- |
20,5 |
|
|
3He |
3,20 |
atm. tlaku |
59 |
- |
8,2 |
|
V kryogenní technice se z bezpečnostních důvodů používají jako chladicí média dusík a helium. Izotop helia 3He se pro extrémně vysokou cenu používá jen pro speciální účely. Do teploty varu dusíku asi 77 K lze chladit parami dusíku. Odčerpáváním pak se lze dostat do blízkosti teploty tuhnutí dusíku, tj.
Obr. 7-14
k teplotě asi 63 K. Dále se chladí heliem. Při odčerpávání par izotopu helia 4He lze dosáhnout teploty asi 0,7 K, i s izotopem 3He asi 0,3 K.
Teplotní závislost logaritmu tlaku syté páry nad vroucím 3He a 4He je zakreslena na obr. 7-14. Úměrně snižujícímu se tlaku klesá i chladicí výkon soustavy.
V posledním dvacetiletí se však stává běžným nástrojem fyziků i experimentální technika umožňující chlazení na velmi nízké teploty, pod 1 K. Vyžaduje je výzkum supravodivosti, supratekutosti helia, studium hyperjemných interakcí atomových jader atd.
Zatím nejefektivnější způsob kontinuálního chlazení při teplotách pod 1 K umožňuje rozpouštění 3He v izotopu 4He. Izotop 3He je relativně dobře rozpustný v kapalném 4He i při 0 K (~ 6,4 %). Rozpuštění 3He v 4He je přitom spojeno s absorpcí tepla, podobně jako při odpařování kapaliny. Refrigerátor konstruovaný na tomto principu pracuje obdobně jako běžné absorpční chladničky. Využít míšení obou izotopů helia k získávání nízkých teplot navrhl L. D. LANDAU v roce 1951. Nejnižší teplota získaná touto metodou byla asi 2 mK.
Při činnosti refrigerátoru plave kapalné 3He nad roztokem obou izotopů, neboť má nižší hustotu. Spodní část roztoku je spojena s výparníkem, z něhož se odčerpávají především páry 3He, jejichž tlak je asi o řád vyšší než tlak par 4He. Tím by se roztok ochuzoval o izotop 3He, což se ovšem vyrovnává rozpouštěním dalšího 3He a zařízení pracuje kontinuálně. Chladicí výkon těchto refrigerátoru je desítky
při teplotách okolo 0,1 K a klesá na 0,1
při 2 mK, je-li
odčerpáváno asi 300
izotopu 3He. Tyto údaje ukazují, jak pečlivě musí být celé zařízení konstruováno, zejména s ohledem na předávání tepla mezi jednotlivými částmi.
Poněkud větší chladicí výkon může mír refrigerátor pracující s Pomerančukovým jevem. V roce 1950 předpověděl I. J. POMERANČUK,že pod určitou teplotou Tmin bude entropie Sp pevného skupenství 3He větši než entropie Sk kapalného 3He. Vzhledem k tomu, že měrný objem kapaliny je větší než měrný objem pevného 3He, bude podle Clausiovy-Clapeyronovy rovnice
 |
(7.36) |
Experimentálně bylo potvrzeno, že teplota Tmin existuje a je rovna 319 mK. Tlak soustavy musí být ovšem podstatně vyšší než atmosférický, neboť za normálního tlaku nelze 3He převést do pevného skupenství. Při teplotě Tmin musí být tlak pmin = 2,93 MPa.
Z předchozího pak plyne, že při zvyšování tlaku se bude teplota soustavy snižovat až do okamžiku, kdy všechno 3He bude převedeno do pevného skupenství.
Poprvé uskutečnil chlazení pomocí Pomerančukova jevu Anufriev v roce 1965. Chlazení je sice jednorázové, stlačování však může probíhat natolik pomalu, že se dají provádět i dlouhodobější experimenty. Přechází-ii kapalina v pevné skupenství rychlostí 20
, klesá teplota asi o 4
.
Nejstarší metodou získávání velmi nízkých teplot je tak zvaná adiabatická demag-netizace. Fyzikální princip navrhli P. Debye a Giauque v roce 1927 a experimenty byly provedeny v roce 1933. Metoda je založena na tom, že při stejné teplotě je entropie paramagnetických látek nižší v magnetickém poli, než Jsou-li neuspořádány při nulové magnetické indukci. K chlazení se používají paramagnetické soli, například kamenec chromito-draselný Cr2(SO4)3. K2SO4 . 24H2O. Graf závislosti entropie S na teplotě je pro 1 mol této látky uveden na obr. 7-15.
Obr. 7-15
Cykl probíhá následovně. Paramagnetická sůl se ochladí v nulovém magnetickém poli na výchozí teplotu, například na 1 K (bod x na obr. 7-15), a přiloží se postupně rostoucí magnetické pole. Látka se přitom udržuje v tepelném kontaktu s předchlazovací lázní, ve které se absorbuje teplo uvolněné při magnetizaci. Při dosažení maximální indukce (v bodě y) se oddělí zmagnetovaná paramagnetická sůl tepelně od předchlazovací lázně a magnetická indukce se zmenšuje k nule (B
0). Dostaneme se tak do bodu Z, v němž je teplota podstatně nižší než výchozí teplota předchlazovací lázně.
Tento způsob chlazení je poměrně jednoduchý a používá se při experimentech, při kterých nevadí přítomnost i silných magnetických polí. Touto metodou byla dosažena teplota až 0,5 mK, ovšem se zvlášť upravenými látkami, v nichž byly například protony v krystalové vodě nahrazeny deuterony.
Ještě nižší teploty lze dosáhnout jadernou demagnetizací. Princip této metody je stejný jako při adiabatické demagnetizaci. Při chlazení se využívá rozdílu v entropiích mezi uspořádaným a neuspořádaným stavem magnetických momentů jader atomů, nejčastěji atomů mědi. Teoretická hodnota nejnižší dosažitelné teploty je 0,1
. V roce 1983 dosáhli japonští fyzikové z univerzity v Tokiu pomocí jaderné demagnetizace mědi dosud nejnižší teploty 27
. Jaderný stupeň byl nejprve předchlazován rozpouštěcím refrigerátorem 3He — 4He a posléze pomocí jaderné demagnetizace PrNi5, přičemž se využívá zesílení jaderných momentů praseodymu hyperjemnou interakcí. Při takto velmi nízkých teplotách probíhá výměna energie mezi jádry a elektronovým obalem jen velmi pomalu. Má proto smysl mluvit odděleně o teplotě jader a teplotě elektronového obalu.
|
|
|
|
|
|
|
|
|