1 / 17

Eksperimentalne metode moderne fizike

Eksperimentalne metode moderne fizike. Niskotemperaturne tehnike –kriogenika. Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr). Sadržaj. Zašto nam trebaju niske temperature Kako postižemo niske temperature Tekući dušik Tekući He-4 Tekući He-3 Vodik Zrak Tipovi kriostata

bijan
Download Presentation

Eksperimentalne metode moderne fizike

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Eksperimentalne metode moderne fizike Niskotemperaturne tehnike –kriogenika Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr)

  2. Sadržaj • Zašto nam trebaju niske temperature • Kako postižemo niske temperature • Tekući dušik • Tekući He-4 • Tekući He-3 • Vodik • Zrak • Tipovi kriostata • Kako mjerimo temperaturu

  3. Primjena niskih temperatura • Niske temperature se primjenjuju u istraživanja i tehnici/tehnologiji. • Na niskim temperaturama kvantno-mehaničke pojave se manifestiraju na makroskopskoj skali • Supravodljivost • ključni su dijelovi eksperimenata: akceleratori, nuklearna fuzija, polarizacija meta, …. • Hlađenje eksperimentalne aparature se u načelu postiže pomoću ukapljenih plinova (tekući dušik, helij, vodika, …)

  4. Metoda hlađenja • 1904 Kamerling Onnes ukapljio helij i postigao temperaturu od 1 K. • Onnes tehnika hlađenja zasniva se na smanjenju tlaka plina što uzrokuje hlađenje plina, a što slijedi iz prvog zakona termodinamike za adijabatski proces: • Plin se nalazi u nekom volumenu V na tlaku većem od atmosferskog tlaka a se volumen otvori plin se ekspandira i vrši rad na okolini a kako nema izmjene topline sokolinom (adijabtski proces dQ=0) unutrašnje energija se smanji za iznos izvršenog mehaničkog rada. • dU<0, dW>0, unutrašnja energija proporcionalna temepraturi plina

  5. Tipični fazni dijagram • Fazni dijagrami (T-Q, p-T, P-V) prikazuju kako se mijenjaju svojstva tvari pri promjeni tlaka i temperature • Tipičan p-T fazni dijagram Ovaj fazni dijagram prikazuje područja koja odgovaraju svakoj od tri uobičajene faze materije. Primijetite da su sve tri faze u ravnoteži u trojnoj točki (triple point). Pored toga, primijetite da su tekuća i plinovita faza iznad kritične točke (critical point) ne razlikuju i jednim imenom nazivaju fluid. p FLUID T>Tc tvar postoji samo u plinovitom stanju Tc- najveća temperatura kad se plin još može pretvoriti u tekućinu krivulja taljenja Kruto Kritična točka Tekuće krivulja isparavanja Plinovito trojna točka krivulja sublimacije T Temperature ukapljenih plinova su u području od kritične do temperature trojne točke

  6. Tc=647 za vodu: p=910 Pa, T=0,01 oC=273,16 K Fazni dijagram za vodu

  7. Fazni dijagrami - Usporedba Fazni p-T dijagrami za vodu i CO2 Kod većine tvari povećanjem tlaka na stalnoj temperaturi tekućina se pretvara u čvrsto stanje (slika b). Međutim, kod vode je obratno, povećanjem tlaka pri stalnoj temperaturi led se topi i pretvara u tekuće stanje (slika a). voda

  8. Podešavanje temeprature • Aparatura koja se hladi nalazi se u hladnoj kupki nekog kriogenskog fluida. • Temperature kupke se može podešavati tlakom para, tako se da plan para plina iznad tekućine snižava pumpanjem vakuumskom pumpom.

  9. Svojstva nekih ukapljenijh plinova BP - točka vrenja CP - kritična točka TP - trojna točka

  10. Tekući dušik • Dušikje najčešći i najdostupniji kriogenski plin/fluid. • Jeftin i siguran način hlađenja do 77 K. • Temperature do 55 K se mogu dobiti ispumpavanjem para ukapljenog dušika. • Ispod trojne točke dušik prelazi u krutninu i tada nastupa problem toplinskog kontakta između apartaute koja se hladi i krutog dušika. • Tekući dušik se prozvodi tako da se prvo ukaplji zrak (79 % dušika u zraku) a zatim ga se separira. • Koristi se i u kriostatima helija

  11. Tekući Helij-4 • Za postizanje temperatura ispod temperature tekućeg dušika ukapljeni He-4 se najčešće koristi. • Pomoću He-4 postižu se temperature do 1 K. • Mogu se postići i niže temperature ali je potrebno sniziti tlak vrlo nisko što je prilično nepraktično • Prolme je He-4 i He-3 što imaju jako niske latentne topline isparavanja, tako tekući He-4 uspije ohladiti do 4,2 K.

  12. Tekući Helij - 3 • He-3 imaju najnižu poznatu točku vrenja 3,2 K. • He-3 u prirodi je vrlo rijedak: helij koji se nalazi u prirodi sadrži 10-6 He-3. • Proizvodi se umjetno kao produkt radioaktivnog raspada tricija: • Vrlo se skup i korsiti se samo kad je apsolutno nužno i to samo u zatvorenom eksperimentu tako da se ne gubi. • Pomoću He-3 postižu se temperature od 3 mK.

  13. Tekući vodik • Tekući vodik je jeftin jer se proizvodi iz plina kojeg nalazimo u prirodu. • Relativno je komercijalno dostupan jer se koristi za raketno gorivo. • Koristi se u kriogenici jer pokriva temperaturno područje između tekućeg helija i i tekućeg dušika. • Ima veliku toplinu isparavanja usprkos maloj gustoći. • Glavni nedostatak: lako zapaljiv i treba biti jako pažljiv u rukovanju s tekućim vodikom ( paziti na električne kontakte – moguća iskrišta da ne bi došlo do eksplozije)

  14. Tekući zrak • Zrak ~ 20 kisika i 80 dušika, temperatura mu je između temperature tekućeg dušika i tekućeg kisika (81 K). • Točna temperatura je određena omjerom dušika i kisika. Kako dušik ima nižu točku vrenja, javlja se isparavanje dušika, te temperatura raste sa starošću tekućine. Očito se ne može koristiti tamo gdje je potrebno održavati stalnu temperaturu. • Kako raste prisustvo kisika u tekućem zraku, tekućina postaje zapaljiva, nije toliko opasno kao kod tekućeg vodika ali svejedno potrebo je pažljivo rukovanje.

  15. Toplinska izolacija • Toplina se prenosi vođenjem, radijacijom i konvekcijom. • Vođenje sprečavamo stavljanjem tankih, mehanički izdržljivih slojeva toplinskog izolatora nrp. teflona. • Radijacija se sprečava visokoreflektivnim površinama, npr. inoks. • Konvekcija se sprječava vakuumom.

  16. Uskladištenej i transport kapljevine • Za skladištenje kapljevina koristi se Dewar-ova posuda. Između dva sloja je vakuum i visokoreflektna površina. • Transport kapljevina između posuda obavlja se pomoću linija s dvostrukim stjenkama između kojih je vakuum.

  17. Mjerenje temperature • Nema mjernog instrumenta koji se može koristiti za sva temperaturna područja. • U području od 90 do 4 K mogu se koristiti plinski termometri. • Idealni plin dovodimo uz konstantan volumen u dodir s objektom kojemu želimo izmjerit temperaturu. Mjerenjem tlaka uz poznati volumen lako nalazimo temperaturu. • Ovisnost otpora o temperaturi je efekt koji se jako često koristi za mjerenje temperature. Obični otpornici mijnejaju otpor za više redova veličine u temperaturnom intervalu od 0,1 K do 1 K.

More Related