Fyzika nízkých teplot

1. Fyzika nízkých teplot Teplota, kryogenní technika, dosahování nízkých a velmi nízkých teplot, měření teploty, jevy pozorované za nízkých teplot, aplikace

2. Teplota • subjektivně pocit chladu a tepla - latinské slovo "temperatura" lze přeložit jako "příjemný pocit„ • objektivně, z pohledu fyziky, je úměrná střední kinetické energii částic v systému • v soustavě SI základní fyzikální veličina, jejíž jednotkou je kelvin – K • alternativní možnosti – u nás hlavně stupeň Celsia -°C (vedlejší jednotka), zajména v USA se používá stupeň Fahrenheita -°F

3. Kinetická teorie – absolutní teplota • teplota se střední kinetickou energií neuspořádaného pohybu částic v systému • k je tzv. Boltzmanova konstanta • T je tzv. absolutní teplota, která tedy nemůže být podle předchozí definice menší než 0. • 1 K pak odpovídá stejnému teplotnímu rozdílu jako 1 °C, který byl zaveden na základě Celsiovy stupnice

4. Celsiova stupnice • Pro měření teploty potřebujeme stupnici - Celsius stanovil dva pevné body: • 0 °C pro teplotu varu vody a 100 °C pro teplotu tání ledu (obojí při tlaku vzduchu 1013,25 hPa). • Carl Linné stupnici později otočil a proto je dnes bod tání 0 °C a bod varu 100 °C • Ve fyzice je vhodnější pracovat s absolutní teplotou T, jejíž počátek je tzv. absolutní nule (0 K, − 273,15 °C ). Tedy pro teplotu t v Celsiové stupnici {t[°C]} − 273,15 = { T[K] } a tedy { Dt [°C ] } = { DT [K] }, kde { } označuje číselnou hodnotu pro formální správnost rozměrů jednotek ve vztazích. Kelvinova stupnice tak využívá stejné referenční body.

5. Fahrenheitova stupnice Gabriel Fahrenheit – původně zvolil vlastní referenční body • 0 °F je nejnižší teplota, jaké se podařilo Fahrenheitovi dosáhnout (1724) smícháním chloridu amonného, vody a ledu. • 96 °F teplota lidského těla později pro zpřesnění použity lépe definované referenční body odpovídající Celsiově stupnici • 32 °F – 0 °C a 212 °F - 100 °C • Srovnej též Réamurovu stupnici z r. 1730 (0 °R – 0 °C ale 80 °R – 100 °C ), která byla do 19. stol velmi rozšířena, dnes se ale neužívá.

6. Termodynamická definice teploty Obecná teplota • zavádí se jako libovolná monotónní obvykle rostoucí funkce vnitřní energie homogenního systému • má neměnnou hodnotu v celém systému a nezávisí na dalších parametrech

7. Carnotův cyklus – absolutní teplota • absolutní teplota je jednoznačnou funkcí vybrané obecné teploty • Definice pomocí Carnotova cyklu (vratný, dvě izotermy a adiabaty) • 1. izotermické rozpínání Ohřívač – přijato teplo Q1, plyn - teplota T1 • 2. izotermické stlačování Chladič – odevzdáno teplo Q2, plyn - teplota T2 Pozn.: Vratné (reverzibilní) děj - původního stavu dosáhnout obrácením pořadí jednotlivých úkonů.

8. Teplota jako integrační faktor • Pro vratný cyklus se celkové teplo mění podél uzavřené křivky ve fázovém diagramu, tzn. dQ není tzv. úplný diferenciál • Pokud jej ovšem dělíme teplotou, křivkový integrál • dS již je úplný diferenciál a funkci S, tzv. entropii, lze považovat za stavovou funkci, t.j. její hodnota nezávisí na historii stavu.

9. Fyzika nízkých teplot • obor nízkých teplot začíná bod bodem mrazu • fyzika nízkých teplot studuje jevy v podmínkách těchto nízkých teplot • kryogenika (kryos - mráz) – obor zabývající se využitím nízkých teplot a také vytvářením nízkých teplot • refrigerátor – zařízení k vytvoření nízkých teplot (většinou využitím vhodného termodynamického děje) • kryogen – původně mrazicí směs, dnes se k chlazení používají často kryogenní kapaliny – zkapalněné plyny • kryostat – zařízení k udržování konstantní teploty z oblasti nízkých teplot pomocí lázně kryokapaliny (pasívní chlazení – postupný volný odpar plynu) za účelem výzkumu, jeho vnitřní součastí pak bývá refrigerátor (aktivní chlazení – pomocí různých fyzikálních dějů)

10. Rozdělení nízkých teplot • terminologie není zcela jednotná • Oblast dosažitelná běžnými technikami zhruba do 120 K (asi -150 °C ). • Oblast tzv. nízkých teplot – 120K – 5 K • Velmi nízké teploty – zhruba od 5 K níže označuje se tak většinou oblast pod kritickým bodem (5.2 K) nebo bodem varu kapalného helia (4.2K) – též heliové teploty • Oblast ultranízkých nebo extrémně nízkých teplot, přibližně pod 1 K – příliš se neujalo.

11. Dělení oblasti nízkých teplot • Nízké teploty se dosahují zkapalněnými plyny s normálním bodem varu do 120 K • Jednotlivé oblasti se označují podle názvu kapalného plynu • Horní hranice je dána obvykle normálním bodem varu kryokapaliny nebo kritickým bodem • Spodní hranice teplotou, kterou je možno prakticky dosáhnout odsáváním par nad kryokapalinou

12. Nízké teploty dle kryokapalin Např. • dusíkové teploty (63,1 - 126K) • kyslíkové teploty (54,3 – 155 K) • vodíkové teploty (13,8 – 34 K) • heliové teploty (0,7 - 5,2 K) – velmi nízké teploty

13. Velmi nízké teploty • Nejčastěji se člení dle přípon násobých jednotek • milikelvinová oblast • mikrokelvinová oblast • nanokelvinová oblast • Je si třeba uvědomit, že nároky (energetické i technické) nerostou lineárně s klesající teplotou, snížit teplotu o 1 mK při 100 K není totéž jako při 1K atp. Dělení tedy i vyjadřuje rozdílnost použité techniky chlazení.

14. Nejnižší teploty • Na Zemi -88 °C (cca 185 K) – Antarktida (1960) • V laboratoři 450 pK - Massachusettský technologický institut (MIT) - sodíkové atomy tzv. Bose – Einsteinův kondenzát • Vesmír 2,76 K – teplota radiačního, tzv. reliktního, záření – pozůstatek velkého třesku • Pozor někdy se hovoří o záporných absolutních teplotách (u statistické definice teploty je možné zavést formálně zápornou teplotu – má ovšem jiný význam – inverzní obsazení energetických hladin )

15. Vývoj kryogenní techniky • Účinek chladu (tuhnutí vody, křehnutí materiálu, konzervace potravin, anestetické účinky atp.) je znám minimálně už ve starověku stejně jako účinek teplot vysokých (hlavně oheň). • První doložený mechanický stroj na výrobu ledu sestrojen Cullenem (chemik a lékař, nejednotné údaje o prvním předvedení - r.1775, 1756, či dokonce už 1748, Edinburg či Glasgow, kde působil). • Použil ruční pumpu pro vytvoření částečného vakua a diethyl ether, který při varu za sníženého tlaku odebíral teplo od okolí. Vynález nebyl ale využit komerčně v praktických aplikacích běžného života.

16. Vývoj kryogenní techniky • Faraday (19. stol.) zkapalňuje pod tlakem řadu plynů Cl, CO2 , H2S, HBr pokouší neúspěšně zkapalnit i tzv. „permanentní plyny“ CO, CH4, O2, N2, H2. • Pokusy využívající stlačovaní byly u těchto plynů neúspěšné, protože se nevědělo o nutnosti ochladit plyn pod tzv. kritickou teplotu (objasnil až Andrews 1869). Faraday Andrews

17. Faradayova laboratoř

18. Vývoj kryogenní techniky • 1877 – R. Pictet a Cailletet (nezávisle ve Švýcarsku a Francii) – zkapalněný kyslík ve formě mlhy. • 1883 – Wroblewski a Olszevski (Krakov) – kapalný dusík a kyslík s rozeznatelným meniskem, expanzí kapalného kyslíku zkapalňují i vodík (forma drobných kapiček). • 1898 - J. Dewar – pomocí Joulleova-Thomsonova jevu (expanze přes porézní membránu), získávají vodík ve skutečně kapalném stavu. Dewar

19. Vývoj kryogenní tevcniky • 1885 (Německo) – Linde vytváří vratný stroj, tzv. zkapalňovač, využívající pro výrobu kapalného vzduchu opakovné J-T expanze. • Lindého stroj představuje první krok k výrobě velkokapacitních zkapalňovačů používaných dodnes.

20. Vývoj kryogenní techniky • Dlouho odolává zkapalnění helium (objeveno nejdříve spektroskopicky na Slunci, roku 1895 pak izolováno z uranových minerálů Ramseyem). • 1908 (Leyden) – H. Kamerlingh-Onnes (holandský fyzik) úspěšně zkapalňuje i helium. • Zkapalněné helium má nejnižší bod varu z kapalných plynů (4.2 K). • Nižších teplot už je potřeba dosáhnout jinými technikami.

21. Historie dosahování velmi nízkých teplot • Vzniká řada laboratoří po celém světě, které využívají zejména kapalného helia. • Odčerpáváním par nejběžnějšího 4He je možné dosáhnout teplot do 0,7 K. • Pokud se použije lehčí izotop 3He, lze prakticky dosáhnout 0,3 K. • 1926 – Giaquie a Debye (nezávisle) navrhují metodu magnetického chlazení, tzv. adiabatická demagnetizace paramagnetických solí – předpoklad dosažení teplot řádu mK.

22. Historie dosahování velmi nízkých teplot • 1933 – Giaquie - první praktické pokusy s adiabatickou demagnetizací – dosahuje 0,5K • do r.1972 se daří dosáhnout teplot 2 mK • 1975 Ústav jaderné fyziky ČSAV, Řež u Prahy – dosažena teplota 0,5 mK • 1934 – Gorter (USA) a Kurti spolu se Simonem (Oxford) navrhují tzv. jaderné chlazení, které využívá jaderných spinů místo elektronových spinů. • Nová metoda umožňuje teoreticky dosáhnout teplot řádu 10-7K.

23. Historie dosahování velmi nízkých teplot • až v roce 1956 (Oxford) – první praktické pokusy s jaderným chlazením – soustava jader Cu ochlazena na teplotu 1 mK. • 1975 – Lounasmaa (Finsko) dosahuje pomocí dvoustupňové demagnetizační aparatury rekord 50nK. • Hledají se i jiné principy chlazení (nejde jen o nízké teploty, ale také o účinnost chlazení nebo udržení nízké teploty ne jen na krátký okamžik)

24. Historie dosahování velmi nízkých teplot • 1951 – H. London upozorňuje na možnost využít rozpouštění 3He v 4He jako prostředku k dosahování nízkých teplot • 1962 – London, Clark a Mendoza (Harwell) – navrhují princip kontinuálního rozpouštěcího refrigerátoru • 1965 – Něganov (Dubna) – první aparatura s vysokým chladícím výkonem.

25. Historie dosahování velmi nízkých teplot • 1965 – Pomerančuk navrhuje využít anomálních vlastností pevného 3He pod teplotou 318 mK (má vyšší entropii než kapalina). • 1965 – Anufriev provedl první experimentální ověření metody, Wheatley v San Diegu dosahuje teplotu pod 2 mK.

26. Bose – Einsteinův kondenzát • Poprvé bylo stavu BEC dosaženo až v roce 1995, kdy se vědcům podařilo realizovat magnetooptickou past, zařízení využívajícího principu laserového ochlazování, kdy laserový paprsek zamezuje pohybu atomů. • Díky tomuto postupu se vědci dostali na teploty o něco nižší než 1 mK (milikelvin). K experimentu nejprve posloužily atomy rubidia. • Od té doby se BEC stal předmětem intenzivního výzkumu v mnoha světových fyzikálních laboratořích. • Podařilo dosáhnout stavu BEC s atomy sedmi dalších prvků, včetně sodíku, a studovaly se jejich projevy.

27. Bose – Einsteinův kondenzát • Fyzikům se dařilo vřadě pokusů ochladit atomy určitých prvků běžně až na teplotu 3nK. • Několik milionů atomů sodíku bylo uchyceno do tzv. optické pinzety tvořené laserovými paprsky. Pak byly tyto atomy „polapeny“ do magnetickooptické pasti. • Následoval proces adiabatické dekomprese, při němž síť magnetických polí odstranila teplejší atomy. • Díky dekompresi teplota kondenzátu (asi 200 tisíc atomů) klesla pod 3nK. Po dalším snížením tlaku (zůstává jen 30 tisíc atomů) se při experimentu podařilo naměřit neuvěřitelných 450 pK (Wolfgang Ketterle a jeho tým - 2003). Skupina fyziků z MITu, která dosáhla rekordně nízké teploty

28. Aplikace kryotechniky • Využívá se nejen v základním fyzikálním výzkumu, ale i v jiných vědních oborech a dokonce i v průmyslu. • Biologie a lékařství – v kapalném dusíku lze dlouhodobě přechovávat viry, bakterie, červené krvinky, leukocyty, nádorové buňky, kostní dřeň, kostní štěpy, kůži, rohovku aj. • Zemědělství – inseminační zásobníky (uchování spermatu plemenných býků)

29. Aplikace kryotechniky • Chirurgie – kryokautery – nekrvavá bezbolestná destrukce tělních tkání jejich hlubokým zmrazením (rakovinné nádory, kožní – bradavice, oční operace, gynekologie, urologie ... ). • Potravinářství – uchovávání potravin • Strojírenství a hutnictví – využití kryogenicky vyráběných plynů O2, H2, Ar, Ne pro svařování, řezání, temperování, žíhání, využívá se i přímo kryokaplain k vyvolání transformace struktury oceli, nalisování přesahujících součástí (např. pístní kroužky), drcení gumy a plastů, stabilizace stěn výkopů. Kryokauter

30. Aplikace kryotechniky • Elektrotechnika – ochlazení vodičů pro snížení odporu, snížení šumu elektronických zařízení, specialitou je využití supravodivosti • supravodiče umožňují • bezeztrátové vedení el. proudu • silné magnety (např. pro NMR, nadnášené vlaky MAGLEV, separace, urychlovače, TOKAMAK pro jadernou fůzi,akumulátory energie ...) • využití slabé supravodivosti (např. SQUID k detekci slabých mag. polí, či speciální elektronické součástky, standarty napětí, oscilátory, směšovače pro vysoké frekvence, ... ) Jaderná fůze MAGLEV

31. Aplikace kryotechniky • Raketová a kosmická technika • kapalný vodík (palivo), • kapalný kyslík a flór (okysličovadlo) • kapalný dusík – předchlazování nádrží, simulátory vlivu kosmického prostředí na přístroje • supravodivé gyroskopy (prstence z niobu a olova rotují v kapalném heliu) pro měření jemných změn gravitačního pole

32. Vlastnosti kryokapalin