低溫技術(shù)及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：低溫奇跡，低溫技術(shù)，低溫的產(chǎn)生

1、引言

低溫技術(shù)不僅與人們當(dāng)代高質(zhì)量生活息息相關(guān)，同時(shí)與世界上許多尖端科學(xué)研究(諸如超導(dǎo)電技術(shù)、航天與航空技術(shù)、高能物理、受控?zé)岷司圩?、遠(yuǎn)紅外探測(cè)、精密電磁計(jì)量、生物學(xué)和生命科學(xué)等)密不可分。在超低溫條件下，物質(zhì)的特性會(huì)出現(xiàn)奇妙的變化：空氣變成了液體或固體；生物細(xì)胞或組織可以長(zhǎng)期貯存而不死亡；導(dǎo)體的電阻消失了——超導(dǎo)電現(xiàn)象而磁力線不能穿過超導(dǎo)體——完全抗磁現(xiàn)象；液體氦的黏滯性幾乎為零——超流現(xiàn)象，而導(dǎo)熱性能比高純銅還好。下面我將主要介紹低溫奇跡、低溫技術(shù)的應(yīng)用和低溫是如何產(chǎn)生的。

2、低溫世界的奇跡

⑴低溫的世界就像童話里的世界，各種物質(zhì)在低溫下會(huì)呈現(xiàn)奇特的景象：在-190℃以下的低溫下：空氣會(huì)變成淺藍(lán)色的液體，叫做“液態(tài)空氣”；若把梨子在液態(tài)空氣里浸過，它會(huì)變得像玻璃一樣脆：石蠟在液態(tài)空氣里，像螢火蟲一樣發(fā)出熒光。如果把雞蛋放進(jìn)-190℃的盒子中，能產(chǎn)生淺藍(lán)色的熒光，摔在地上會(huì)像皮球一樣彈起。在-100℃到-200℃的環(huán)境里，汽油、煤油、水銀、酒精都會(huì)變成硬邦邦的固體；二氧化碳則變成了雪白的結(jié)晶體，平時(shí)富有彈性的橡皮變得很脆，鋼鐵也變成了“豆腐”；酒精會(huì)變得像石頭一樣硬，塑料會(huì)像玻璃一樣脆；鮮艷的花朵會(huì)像玻璃一樣亮閃閃，輕輕地一敲，發(fā)出“叮當(dāng)”響。從魚缸撈出一條金魚放進(jìn)-190℃的液體中，金魚就變得硬梆梆，晶瑩透明，仿佛水晶玻璃制成的工藝品，再將這“玻璃金魚”放回魚缸的水中，金魚說不定會(huì)復(fù)活。

⑵超導(dǎo)與超流：隨著溫度降低，室溫時(shí)的氣態(tài)物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成液態(tài)、固態(tài)。如果升高溫度(數(shù)百萬度)，氣態(tài)可以轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)，所有原子和分子游離成帶電的電子和正離子，人們稱等離子態(tài)為物質(zhì)的第四態(tài)。一些金屬、合金、金屬間化合物和氧化物，當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)電性(即零電阻現(xiàn)象)和完全抗磁性(把磁力線完全排除出體外現(xiàn)象)。液氦溫度低于零下271度時(shí)還出現(xiàn)超流現(xiàn)象，液體的黏滯度幾乎為零，杯子內(nèi)的液氦會(huì)沿器壁爬到杯子下面，液體的傳熱系數(shù)比銅還好。上述兩種現(xiàn)象可稱為超導(dǎo)態(tài)和超流態(tài)，人們把超導(dǎo)態(tài)和超流態(tài)稱為物質(zhì)的第五態(tài)。

我的猜想：低溫世界竟有這么多的奇跡，這也許可以促使人們?cè)诘蜏叵逻M(jìn)行特種物質(zhì)的合成或者進(jìn)行一些常溫下難以進(jìn)行的科學(xué)研究。如果在低溫環(huán)境可以更簡(jiǎn)單的達(dá)到，那么也許就會(huì)徹底改變我們這個(gè)世界的現(xiàn)貌，引發(fā)另一次的技術(shù)革命。

3、低溫在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

⑴能源研究與技術(shù)：能源是人類社會(huì)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，開發(fā)受控?zé)岷司圩兡茉徽J(rèn)為是徹底解決人類能源的根本途徑，因?yàn)槊抗Ｋ械臍渫凰仉碗暗木圩兡芟喈?dāng)于300公斤汽油。聚變實(shí)驗(yàn)裝置裝容等離子體的真空室在放電前要求很高真空度，采用低溫泵是最佳選擇。此泵可以用液氦致冷，也可用微型制冷機(jī)供冷。目前世界上運(yùn)行的高溫氣冷裂變堆用氦氣作為傳熱工質(zhì)，據(jù)說為純化氦氣每年得花費(fèi)100萬美元的液氮。

在能源技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)技術(shù)還有更廣泛用途，如超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電感電力貯能、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電力傳輸線，上述超導(dǎo)電力工程應(yīng)用是利用超導(dǎo)的零電阻特性來提高效率，多數(shù)已有樣機(jī)投入試運(yùn)行；而用高溫超導(dǎo)材料制造的故障電流限制器則利用超導(dǎo)材料的臨界特性和其失超后電阻變化很大的原理。

天然氣是當(dāng)前主要能源之一，當(dāng)它降溫至零下162度時(shí)變成液體，體積縮小約640倍，從而便于運(yùn)輸，大型運(yùn)輸液化天然氣的船泊可裝運(yùn)125,000m3(5萬噸級(jí))。天然氣的液化、液化天然氣的貯存和運(yùn)輸可謂是大型低溫工程。

⑵航空與航天技術(shù)：低溫使室溫下氣體轉(zhuǎn)化成液體，氣體液化后其密度增加幾百倍，液化后的氣體必須在絕熱良好的容器里保存，容器的重量比起用壓力容器裝容同等質(zhì)量的氣體方法要減 輕許多。因此液氧和液氫常常作為推進(jìn)火箭使用的燃料，火箭是人們探索宇宙所必需的運(yùn)載工具。第二次世界大戰(zhàn)時(shí)發(fā)射的火箭已用液氧和酒精或煤油作為燃料，到二十世紀(jì)五十年代液氫取代酒精/煤油成為火箭燃料，因?yàn)樗谋葲_量比煤油大30%。一架宇宙飛船的推進(jìn)火箭攜帶的液氧多達(dá)530m3，液氫1438m3。這些低溫燃料還起到冷卻火箭外殼，使它與大氣高速摩擦?xí)r不被燒蝕。有人研究用液氫與甲烷固液混合物作為近音速和遠(yuǎn)超音速飛機(jī)的燃料，因?yàn)榈蜏厝剂峡梢岳鋮s飛機(jī)表面。

廣漠無際的宇宙空間是高真空極低溫環(huán)境，在飛船上天之前必需在模擬環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，這對(duì)于保證宇宙飛船的安全十分重要。這人工的空間模擬環(huán)境的獲得必需依靠低溫技術(shù)，低溫技術(shù)不僅使巨大的模擬器(數(shù)百立方米容積真空罐)內(nèi)達(dá)到足夠低的溫度，還利用低溫泵原理獲得高真空。

超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的一個(gè)可能應(yīng)用領(lǐng)域是航天器的發(fā)射，使它在離開地面時(shí)已具有很高的速度，因?yàn)檫@加速由地面供給能源，從而減少了火箭需攜帶的燃料。

太空探測(cè)儀器要求低溫致冷，因?yàn)樘丈钐幍臏囟鹊瓦_(dá)3.5K，遠(yuǎn)紅外輻射非常非常微弱，探測(cè)超寬紅外輻射帶儀器需要用1.8K超流氦冷卻。

超導(dǎo)體除了零電阻特性外，另一個(gè)奇妙特性是完全抗磁性。無論是超導(dǎo)線繞成的閉合線圈或塊狀超導(dǎo)材料都排斥磁力線穿過，或者說磁場(chǎng)排斥超導(dǎo)體。利用這完全抗磁性可以制造無摩擦軸承，制造超導(dǎo)陀螺儀，因?yàn)闊o摩擦軸承使陀螺儀以每分鐘幾萬轉(zhuǎn)速度高速旋轉(zhuǎn)，無論航空器或航天器的飛行如何方向變化，超導(dǎo)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸指向保持不變。

⑶低溫/超導(dǎo)電子學(xué)

低溫能降低電子器件的噪聲，在遠(yuǎn)紅外探測(cè)技術(shù)必需用38~80K微 型制冷機(jī)來提高微弱信號(hào)的聲噪比，如氣象衛(wèi)星上用來測(cè)定海水表面層溫度分布、云層分布及溫度的紅外輻射儀，用于測(cè)定物質(zhì)比輻射率以確定宇宙星體構(gòu)造的紅外 分光光度儀；探測(cè)地層中礦藏分布和資源的紅外多光譜掃描儀，防空預(yù)警系統(tǒng)中導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的紅外探測(cè)器。在低溫下利用約瑟夫遜效應(yīng)量子器件可精確地測(cè)量極微 弱磁場(chǎng)變化，有人已將約瑟夫遜效應(yīng)記錄人的腦磁圖，用來診斷某些疾病。也有人利用超導(dǎo)微電子器件制造速度更快的計(jì)算機(jī)。所有超導(dǎo)電子器件都以超導(dǎo)隧道效應(yīng) 為基礎(chǔ)，已發(fā)展成一門前景燦爛的學(xué)科，預(yù)計(jì)到2020年在信息技術(shù)領(lǐng)域，超導(dǎo)應(yīng)用的產(chǎn)值占46%。

4、低溫的產(chǎn)生：

現(xiàn)代的制冷技術(shù)最普遍的方法是消耗消耗機(jī)械功來制取冷量。壓縮機(jī)先把制冷工質(zhì)(可以是氨、氟里昂、空氣、氫氣、氦氣或其他氣體)壓縮，用冷卻水或風(fēng)冷把壓縮氣體的發(fā)熱帶走；經(jīng)換熱器預(yù)冷后的壓縮氣體工質(zhì)經(jīng)膨脹機(jī)膨脹降溫制冷或通過節(jié)流閥降溫。用氨作為制冷工質(zhì)，最冷能達(dá)到零下33.5℃，用氟里昂-14最低能達(dá)零下128℃。最低溫度是以制冷工質(zhì)的凝固點(diǎn)為限，用氦氣作為制冷工質(zhì)可以達(dá)到零下271℃。

1823年英國科學(xué)家法拉第采用加壓與冷卻方法液化了二氧化碳，1877年利用同樣方法使氧氣液化，1885年德國科學(xué)家林德利用氣體的狹口膨脹效應(yīng)發(fā)展制冷技術(shù)，達(dá)到零下190℃使空氣液化；隨后又實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夂蜌錃獾囊夯?908年荷蘭科學(xué)家荷蘭科學(xué)家卡曼林-昂內(nèi)斯液化了溫度最低的氦氣。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了其他制冷方法，諸如半導(dǎo)體溫差制冷，渦流管制冷，吸收式制冷，脈沖管制冷，太陽能光-電轉(zhuǎn)換制冷和光-熱轉(zhuǎn)換制冷等等；在極低溫領(lǐng)域還有3He-4He的稀釋制冷(可達(dá)絕對(duì)溫度10-3K)，順磁鹽絕熱去磁制冷(可達(dá)10-3K溫度)和核去磁制冷(可達(dá)到10-6-10-8K低溫)等方法。

我的想法：在逼近絕對(duì)零度的道路上我們永遠(yuǎn)也沒有盡頭，而接近絕對(duì)零度的過程，實(shí)際上就是我們?nèi)祟悓?duì)于自身的一個(gè)不斷超越，同時(shí)，這對(duì)工程上和理論上而言都具有重要的意義。

5、結(jié)語：低溫技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣泛，在科學(xué)研究領(lǐng)域也十分活躍，是一個(gè)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的重要課題，需要我們不斷的去探索。去探索如何逼近絕對(duì)零度，去探索物質(zhì)在低溫世界更多的奇妙性質(zhì)。

                       參考文獻(xiàn)

〈1〉《關(guān)于低溫的概念、技術(shù)和應(yīng)用》畢延芳2001/5/20

〈2〉《低溫世界的奇跡》