日常生活中低溫是如何獲得的
信息來源于：互聯(lián)網 發(fā)布于：2022-03-29
低溫的獲得在物理學中，“低溫”是指低于液態(tài)空氣（81K）的溫度。低溫在現(xiàn)代技術與科學中有很重要的意義。在技術上，空氣在低溫液化后可以通過分流而得到氧氣、氮氣、氬氣等供工業(yè)各方面應用。在生物科學上低溫環(huán)境用來保存活體，例如現(xiàn)在已應用于良種奶牛精液的保存。用低溫可以使某些材料具有超導性質。對低溫條件下的物理現(xiàn)象的研究在理論上也具有重要意義，這方面最著名的例子是，吳健雄等人利用低溫條件做的60co衰變實驗證實了李政道、楊振宇提出的宇稱不守恒理論，對粒子物理的發(fā)展產生了很大影響。 低溫最初是通過空氣的液化得到的，現(xiàn)在液態(tài)空氣的產生已經很普遍了。一種空氣液化裝置就是用氫氣做工質的制冷機，在其中氫氣進行斯特林制冷循環(huán)，利用這種制冷機可以達到90K—12K的低溫，將空氣液化后就可以用分餾方法得到液氮、液氧。在很多實驗中都用液氮來維持所需的低溫。當氣體進行近似的可逆絕熱膨脹時，因對活塞或渦輪葉片做功而使自身溫度降低。這也是液化氣體獲得低溫的一種方法。
還有一種液化氣體的方法是利用焦耳—湯姆遜效應，即氣體經過氣流膨脹會降溫的效應。待液化氣體先受壓縮機A壓縮而成為高溫高壓的再沿管道進入冷卻器B，被水或空氣冷卻后仍保持相當大的壓強，然后又被導入逆流換熱器C的內管再從小口放入容器D中。由于小口有節(jié)流作用，所以氣體從小口噴出后溫度降低，低溫低壓的氣體經過逆流換熱器外套管而回到壓縮機中重新被壓縮。之所以用逆流換熱器是想用經過節(jié)流的較冷的氣體來冷卻未經節(jié)流的氣體，這樣在節(jié)流后溫度會更低。由于壓縮機的工作，氣體經過幾次循環(huán)溫度就還可以達到部分液化的程度。液化的氣體可以從下面的管道取走。
節(jié)流降溫方法的優(yōu)點是，它在低溫處沒有運動部分，因而不需要潤滑。但由于氣體必須在低溫某溫度時通過節(jié)流才能降溫，所以節(jié)流前必須預冷，實際上，常把節(jié)流膨脹和可逆絕熱膨脹聯(lián)合起來使用，先用可逆絕熱膨脹是氣體溫度降低到所需的溫度，然后再通過節(jié)流使之變成液態(tài)。液氦一般就是這樣制取的，可達到4.2K的低溫。 液體蒸發(fā)時要吸熱，如果這時外界不供給熱量，液體本身的溫度就要降低。利用這種方法可以使液態(tài)氣體溫度進一步降低。
密閉的杜瓦瓶中裝有液態(tài)氣體。當用抽氣機將液面上的蒸汽快速抽出時，液體溫度就降得很低。通過這個方法用液態(tài)氫可達到1.25K的溫度，用液態(tài)4He可達到1K，用液態(tài)3He可以達到0.3K。更低的溫度是用順磁質的絕熱退磁而得到的。順磁質的每個分子都具有固有的磁矩，它的行為像一個微小的磁體一樣，在磁場的作用下要沿磁場排列起來。此時若將順磁質和外界絕熱隔離，當撤去外磁場時，由于它的內能減小，溫度就要降低。一種這樣的裝置。裝順磁鹽（如硝酸鈰鎂）的容器安置在液氦內的兩個超導磁極中間，現(xiàn)在容器上通入氦氣。當磁場加上時，順磁鹽被磁化而溫度升高。這時它周圍的氦氣作為導熱劑使它很快與周圍液態(tài)氦達到熱平衡。然后抽走容器中的氦氣使順磁鹽與外界絕熱。這時再撤去磁場，順磁質的溫度就可以降到210甚至310K。如果在這樣的低溫下，再 用類似的步驟是原子核進行絕熱退磁，就可以得到更低的溫度。吳健雄在實驗中就是用絕熱退磁法得到所需的低溫而證實了宇宙不對稱的預言。1951年倫敦（F.London）提出了一 個稀釋制冷的方法。
1978年根據這種想法制成的稀釋制冷機已經可以保持3210K的低溫。這種制冷機是根據4He和3He的混合液體箱變規(guī)律而設計的。由液態(tài)4He的抽氣蒸發(fā)而而溫度達到1.3K的3He液體被壓入穿入 蒸發(fā)器的管道又被冷卻一次，此后又穿過一個熱交換器進一步冷卻，然后進入最下面的混合室中。在混合室中3He和4He的混 合液體分為兩相（即有明顯分界面的兩部分），上面是富3He的濃相，下面的貧3He的稀相。在這個溫度下3He表現(xiàn)得相當活躍， 將由濃相向稀相大量擴散，而4He表現(xiàn)得惰性大，好像只是給3He提供了活動空間。它們的行為的差別需要用量子力學來說 明，但可以用液體在在空氣中蒸發(fā)作類比。液體急速蒸發(fā)時溫度要降低，此處，3He穿過分界面向稀相“蒸發(fā)時”溫度也要降低。由于上面的真空泵不斷抽走3He，這一“蒸發(fā)”就不斷的繼續(xù)進行，因此，這里的溫度就可以達到3210K。 赫爾辛基工業(yè)大學的一個實驗小組的低溫系統(tǒng)用了一級稀釋制冷和兩級原子核絕熱去磁，得到了8210K的低溫。
1975年，亨斯（Hansch）和肖洛（Shawalow）提出可以利用對射激光束來冷卻中性原子。這種激光冷卻的方法在其后20年中得到很大發(fā)展。1995年曾利用此方法將銫原子冷卻到2.8nK的低溫。朱棣文等曾利用此方法將一群鈉原子降到24pK的低溫。
