Kriogēnika, zemas temperatūras parādību iegūšana un pielietošana.
Kriogēnās temperatūras diapazons ir definēts kā no –150 ° C (–238 ° F) līdz absolūtai nullei (–273 ° C vai –460 ° F), temperatūrai, kurā molekulārā kustība pietuvojas pēc iespējas tuvāk teorētiski iespējamajai pilnīgai izbeigšanai. Kriogēnās temperatūras parasti apraksta absolūtā vai Kelvina skalā, kur absolūto nulli raksta kā 0 K bez pakāpes zīmes. Konversiju no Celsija skalas uz Kelvina skalu var veikt, pievienojot 273 Celsija skalai.
Kriogēnā temperatūra ir ievērojami zemāka nekā tā, kas rodas parastos fiziskos procesos. Šajos ekstremālos apstākļos tādas materiālu īpašības kā izturība, siltumvadītspēja, elastība un elektriskā pretestība tiek mainītas gan teorētiski, gan komerciāli nozīmīgi. Tā kā siltumu rada nejauša molekulu kustība, materiāli kriogēnās temperatūrās ir pēc iespējas tuvāk statiskam un ļoti sakārtotam stāvoklim.
Kriogēnika sākās 1877. gadā, gadā, kad skābeklis pirmo reizi tika atdzesēts līdz vietai, kurā tas kļuva par šķidrumu (–183 ° C, 90 K). Kopš tā laika kriogēnikas teorētiskā attīstība ir saistīta ar saldēšanas sistēmu spēju pieaugumu. 1895. gadā, kad bija kļuvis iespējams sasniegt 40 K temperatūru, gaiss tika sašķidrināts un atdalīts tā galvenajās sastāvdaļās; 1908. gadā sašķidrināja hēliju (4,2 K). Trīs gadus vēlāk tika atklāta daudzu pārdzesētu metālu spēja zaudēt izturību pret elektrību - parādība, kas pazīstama kā supravadītspēja. Līdz 1920. un 1930. gadiem tika sasniegta temperatūra tuvu absolūtai nullei, un līdz 1960. gadam laboratorijas varēja sasniegt temperatūru 0,000001 K, miljona grādu Kelvina grādu virs absolūtās nulles.
Temperatūru, kas zemāka par 3 K, galvenokārt izmanto laboratorijas darbiem, jo īpaši hēlija īpašību pētījumiem. Hēlijs sašķidrina 4,2 K temperatūrā, kļūstot par tā saucamo hēliju I, bet temperatūrā 2,19 K tas pēkšņi kļūst par hēliju II - šķidrumu ar tik mazu viskozitāti, ka tas burtiski var pārmeklēt glāzes malu un izplūst cauri pārāk maziem mikroskopiskiem caurumiem. lai ļautu iziet parastos šķidrumus, ieskaitot hēliju I. (Hēlijs I un hēlijs II, protams, ir ķīmiski identiski.) Šo īpašību sauc par superšķidrumu.
Vissvarīgākais kriogēno gāzu sašķidrināšanas paņēmienu komerciālais pielietojums ir sašķidrinātās dabasgāzes (SDG), maisījuma, kas galvenokārt sastāv no metāna, etāna un citām degošām gāzēm, glabāšana un transportēšana. Dabas gāze tiek sašķidrināta 110 K temperatūrā, izraisot tās sašaurināšanos līdz 1/600 no tās tilpuma istabas temperatūrā un padarot to pietiekami kompaktu, lai to varētu ātri transportēt speciāli izolētos tankkuģos.
Ļoti zemu temperatūru izmanto arī pārtikas konservēšanai vienkārši un lēti. Izstrādājumu ievieto noslēgtā tvertnē un apsmidzina ar šķidru slāpekli. Slāpeklis nekavējoties iztvaiko, absorbējot produkta siltumu.
Krioķirurģijā neveselīgu audu sasaldēšanai var izmantot zemas temperatūras skalpeli vai zondi. Pēc tam iegūtās mirušās šūnas tiek noņemtas parastajos ķermeņa procesos. Šīs metodes priekšrocība ir tā, ka audu sasaldēšana, nevis to sagriešana rada mazāku asiņošanu. Krioķirurģijā tiek izmantots skalpelis, kas atdzesēts ar šķidru slāpekli; tas ir izrādījies veiksmīgs mandeles, hemoroīdu, kārpu, kataraktas un dažu audzēju noņemšanā. Turklāt tūkstošiem pacientu tika ārstēta Parkinsona slimība, iesaldējot mazos smadzeņu apgabalus, kas, domājams, ir atbildīgi par problēmu.
Kriogēnisko līdzekļu pielietojums ir paplašināts arī kosmosa transportlīdzekļos. 1981. gadā ar šķidrā ūdeņraža / šķidrā skābekļa propelentu palīdzību tika palaists ASV kosmosa kuģis Columbia.
No to materiālu īpašajām īpašībām, kas atdzesēti līdz galējai temperatūrai, vissvarīgākā ir supravadītspēja. Tās galvenais pielietojums ir bijis supravadošu elektromagnētu konstruēšanā daļiņu paātrinātājiem. Šīm lielajām pētniecības iekārtām nepieciešami tik spēcīgi magnētiskie lauki, ka parastos elektromagnētus varētu izkausēt strāvas, kas vajadzīgas lauku radīšanai. Šķidrais hēlijs atdziest līdz apmēram 4 K kabelim, caur kuru plūst strāvas, ļaujot plūst daudz spēcīgākām straumēm, neradot siltumu ar pretestības palīdzību.
