POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Techniki niskotemperaturowe w Inżynierii Mechaniczno Medycznej Zmiana własności ciał w temperaturach kriogenicznych Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański Emilia Banach Inżynieria mechaniczno medyczna Sem I stopień II 127571
1. Kriogenika Kriogenika- słowo to pochodzi od słów greckich "kruos", co oznacza "zimno" i "genos" - "pochodzenie" lub "tworzenie. Jest to dziedzina nauki i techniki zajmująca się badaniem i wykorzystaniem niskich temperatur, tzw. temperatur kriogenicznych. Istnieje kilka teorii dotyczących definicji (granicy) temperatur kriogenicznych: Przyjmuje się je jako graniczne temperatury niższe od 150 C (123 K) Zaczynają się w temperaturze wrzenia metanu w warunkach atmosferycznych: -162 C (111 K) Obszar gdy osiągamy temperaturę krytyczną gazów nieskraplających się w warunkach normalnych Kriogenika znalazła liczne zastosowania w wielu dziedzinach życia, takich jak: Biologia Medycyna (chirurgia) Przemysł spożywczy Przemysł metalurgiczny Przemysł chemiczny Poniższe rysunki przedstawiają przykładowe zastosowania kriotechniki. Rys. 1.1. Zabieg usunięcia brodawki przy użyciu ciekłego azotu
Rys. 1.2. pojemniki do przechowywania materiału biologicznego. 2. Zmiana własności ciał. Obniżenie temperatury ciał do wartości kriogenicznych powoduje zmianę wielu jego własności takich jak: przewodność cieplna, ciepło właściwe, ciepło parowania, entropia, kruchość, zeszklenie, nadciekłość, nadprzewodnictwo. a) Ciepło właściwe i ciepło parowania Ciepło właściwe to ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury ciała o jednostkowej masie o jedną jednostkę. Ciepło właściwe wszystkich cieczy i ciał stałych zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. Natomiast ciepło parowania cieczy mających niski punkt wrzenia jest bardzo małe. W efekcie każdy napływ ciepła do ciała (znajdującego się w temperaturach kriogenicznych) powoduje szybsze parowanie co prowadzi do trudności z przechowywaniem takich cieczy, co wywołuje konieczność mocniejszego izolowania zbiorników. b) Przewodność cieplna Przewodność cieplna ciał dąży do zera, gdy temperatura dąży do zera absolutnego. Wykorzystuje się to do izolacji strat ciepła, gdzie wykorzystuje się takie materiały, które wykazują bardzo duży spadek przewodności cieplnej w miarę obniżania temperatury.
c) Entropia Obniżenie temperatury ciał powoduje także zmniejszenie ich entropii. Następuje wówczas wzrost uporządkowania układu a co za tym idzie zmniejszenie szumów. Zjawisko to można wykorzystywać w radiolokacji, w detektorach podczerwieni (rys.2.1) czy laserach, ponieważ po wyeliminowaniu drgań cząstek (szumów) są one bardziej dokładne. Rys. 2.1. Detektor podczerwieni d) Kruchość metali Materiały mają tendencję do wzrostu naprężeń przy spadku temperatury, dzieje się tak ponieważ dochodzi do deformacji materiału poprzez dyslokację i przemieszczania się cząstek w sieci krystalicznej. Materiał traci wtedy plastyczność i staje się bardziej kruchy, co eliminuje go z użycia w konstrukcjach kriogenicznych. Na rysunku 2.2 widoczny jest kruchy przełom elementu metalowego, spowodowany obniżeniem temperatury przedmiotu. Rys.2.2. Kruchy przełom elementu metalowego.
e) Witryfikacja polimerów i elastomerów Witryfikacja, inaczej zeszklenie, jest kolejnym zjawiskiem zachodzącym w temperaturach kriogenicznych. Jest to zjawisko wzrostu kruchości tworzyw sztucznych takich jak polimery czy elastomery. Znalazło ono zastosowanie w recyklingu np. opon zbrojonych (rys.2.3) lub przewodów izolowanych- pod wpływem działania na przewód izolowany niskiej temperatury rośnie kruchość polimerowej izolacji, która następnie w łatwy sposób (np. w wyniku walcowania) zostaje oddzielona od metalowego przewodu. Rys.2.3. Recykling opon zbrojonych f) Nadciekłość Nadciekłość - stan cieczy, w którym jest ona pozbawiona lepkości. Nadciekłość obserwuje się w temperaturach niewiele wyższych niż 0 kelwinów (w pobliżu zera bezwzględnego). obserwowana np. dla helu w temperaturze niższej niż 2,17 K.. Zmiana stanu cieczy z cieczy lepkiej w nadciekłą i odwrotnie jest przejściem fazowym. Warstwy takiej cieczy płyną bez tarcia wewnętrznego, czyli bez żadnych strat energii (rys.2.4). Rys.2.4. Zjawisko nadciekłości Helu
g) Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo to zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach, ich stopach oraz w pewnych spiekach ceramicznych (rys.2.5). Materiał, dla którego zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem. Nadprzewodnictwo obserwowane jest w niskich temperaturach, mniejszych od pewnej, charakterystycznej dla danego materiału tzw. temperatury krytycznej Tc (rys.2.6). Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych ciśnienia Przyczyną nadprzewodnictwa jest tworzenie się ze swobodnych elektronów tzw. par Coopera, w temperaturach poniżej tzw. temperatury krytycznej, Pary Coopera, złożone zawsze z 2 elektronów, tworzą kondensat bozonowy, w którym zajmują stabilny stan o określonej energii i potrafią poruszać się w sieci krystalicznej bez zmian (strat) energii. W uproszczeniu można powiedzieć, że jony nieruchomieją, a między węzłami sieci krystalicznej elektrony mogą się poruszać prawie bez przeszkód. Znika więc oporność i materiał może przewodzić, prawie bez strat, olbrzymie prądy elektryczne. Rys.2.5. Porównanie zależności oporu elektrycznego od temperatury dla nadprzewodnika Rys.2.6. Porównanie zależności oporu elektrycznego od temperatury dla nadprzewodnika i materiału niewykazujacego własności nadprzweodnych
Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości pola magnetycznego, zjawisko to nosi nazwę efektu Meissnera (rys.2.7). Rys.2.7. Nadprzewodnik w zewnętrznym polu magnetycznym Wypchnięcie pola powoduje utrzymanie w powietrzu innego magnetyka (rys.2.8), co znalazło zastosowanie przy budowie kolei magnetycznej. Rys.2.8. Efekt Meissnera
Bibliografia: M.Chorowski, Kriogenika. Podstawy i zastosowania, Gdańsk 2007 Russell B.ScottTechnika niskich temperatur, Warszawa 1963 http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/file/chik-2011-2012-wyklad-1.pdf