Криогенная температура

Криогенная температура — это диапазон температур, как правило, ниже −150 °C (123,15 K), при котором вещества переходят в состояние с резко изменёнными физическими свойствами. В технике и физике под криогенной температурой обычно понимают область от −150 °C до абсолютного нуля (−273,15 °C или 0 K). Точное определение может варьироваться в зависимости от области применения, но общепринятой границей считается температура кипения основных компонентов воздуха (азота, кислорода) при атмосферном давлении.

История

Интерес к низким температурам возник в XVII веке с развитием термодинамики. Первые эксперименты по сжижению газов проводились в XIX веке. В 1877 году французский инженер Луи Поль Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга впервые получили жидкий кислород (температура кипения −183 °C). В 1883 году польские учёные Зыгмунт Врублевский и Кароль Ольшевский впервые сжижили азот (−196 °C) и водород (−253 °C).

Ключевым этапом стало получение жидкого гелия. В 1908 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в Лейденской лаборатории впервые добился температуры 4,2 K (−269 °C), сжижив гелий. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году. В 1930-х годах были разработаны методы получения температур ниже 1 K с использованием адиабатического размагничивания.

В СССР и России развитие криогенной техники связано с именами П. Л. Капицы, который в 1934 году создал первый эффективный ожижитель гелия, и А. П. Александрова, руководившего разработкой криогенных установок для промышленности. В 1950-х годах началось производство жидкого азота и кислорода в промышленных масштабах.

Физические основы

Абсолютный нуль температуры

Абсолютный нуль (0 K или −273,15 °C) — теоретический предел, при котором тепловое движение частиц вещества прекращается. Согласно третьему началу термодинамики, достичь абсолютного нуля невозможно, но можно неограниченно приближаться к нему. При температурах, близких к 0 K, проявляются квантовые эффекты, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Криогенные жидкости

Основные криогенные жидкости и их температуры кипения при нормальном атмосферном давлении:

Классификация криогенных температур

В технике и научной литературе криогенные температуры часто делят на три диапазона:

Низкие криогенные температуры (от −150 °C до −200 °C)

Включает температуры кипения азота, кислорода и аргона. Наиболее доступный и широко используемый диапазон. Жидкий азот (−196 °C) является самым распространённым криогенным хладагентом благодаря дешевизне и безопасности.

Средние криогенные температуры (от −200 °C до −260 °C)

Охватывает температуры кипения водорода и неона. Требует более сложного оборудования, так как водород взрывоопасен, а неон дорог.

Глубокие криогенные температуры (ниже −260 °C)

Диапазон жидкого гелия (4,2 K) и ниже. Используется в научных исследованиях, сверхпроводящих магнитах и квантовых компьютерах. Для получения температур ниже 1 K применяются методы адиабатического размагничивания и лазерного охлаждения.

Получение криогенных температур

Ожижение газов

Основной метод получения криогенных температур — сжижение газов. Процесс основан на циклах сжатия и расширения (цикл Линде, цикл Клода). Газ сжимается компрессором, охлаждается, затем расширяется через дроссель или детандер, что приводит к резкому падению температуры и частичной конденсации.

Криостаты

Для поддержания криогенных температур используются криостаты — сосуды Дьюара (вакуумные колбы), которые минимизируют теплоприток за счёт вакуумной изоляции и многослойных экранов. Современные криостаты могут поддерживать температуру жидкого гелия в течение нескольких дней без дозаправки.

Криокулеры

В ряде случаев (например, в космосе или в лабораториях, где нет доступа к жидким газам) используются криокулеры — замкнутые холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, Пульсационной трубы или циклу Гиффорда-Мак-Магона. Они позволяют достигать температур до 4 K без использования криогенных жидкостей.

Применение

Научные исследования

• Сверхпроводимость: при криогенных температурах многие материалы переходят в сверхпроводящее состояние (электрическое сопротивление обращается в ноль). Это используется в магнитно-резонансных томографах (МРТ), ускорителях частиц (например, Большой адронный коллайдер) и в экспериментах по квантовой физике.
• Сверхтекучесть: жидкий гелий при температуре ниже 2,17 K (точка λ) переходит в сверхтекучее состояние, характеризующееся нулевой вязкостью. Это явление изучается в физике конденсированного состояния.
• Квантовые вычисления: кубиты в квантовых компьютерах (например, на основе сверхпроводящих цепей) работают при температурах около 10–20 милликельвинов для подавления тепловых шумов.

Медицина

• Криохирургия: разрушение патологических тканей (опухолей, бородавок) путём локального замораживания жидким азотом.
• Криоконсервация: сохранение биологических образцов (спермы, яйцеклеток, эмбрионов, стволовых клеток) при температуре −196 °C в жидком азоте для длительного хранения.
• МРТ: сверхпроводящие магниты, работающие при температуре жидкого гелия, обеспечивают сильное магнитное поле для томографии.

Промышленность

• Разделение воздуха: криогенная ректификация позволяет разделять воздух на азот, кислород, аргон и другие газы в промышленных масштабах.
• Сжиженный природный газ (СПГ): природный газ охлаждается до −162 °C для транспортировки и хранения. Россия является одним из крупнейших производителей СПГ.
• Криогенная обработка материалов: закалка стали при криогенных температурах улучшает её износостойкость и твёрдость.

Космонавтика

• Ракетное топливо: жидкий кислород (окислитель) и жидкий водород (горючее) используются в ракетных двигателях, например, в российских «Протон-М» и «Союз-2», а также в американском Space Shuttle и Falcon 9.
• Криогенные системы космических аппаратов: для охлаждения инфракрасных детекторов и телескопов (например, телескоп «Джеймс Уэбб» работает при температуре около 40 K).

Безопасность

Работа с криогенными температурами требует соблюдения строгих мер предосторожности:

• Обморожение: контакт с криогенными жидкостями или незащищёнными поверхностями вызывает мгновенное обморожение тканей. Необходимо использовать защитные очки, перчатки и одежду.
• Удушье: испаряющиеся криогенные жидкости (особенно азот и аргон) вытесняют кислород из воздуха, что может привести к гибели в закрытых помещениях. Обязательна вентиляция и датчики кислорода.
• Взрывоопасность: жидкий водород и кислород образуют взрывоопасные смеси. Работа с ними ведётся в специальных условиях.

Криогеника в России

Россия обладает развитой криогенной промышленностью. Крупнейшие производители криогенного оборудования — «Криогенмаш» (Балашиха, Московская область) и «Уралкриомаш» (Екатеринбург). В научных центрах, таких как Институт физических проблем имени П. Л. Капицы РАН (Москва) и Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск), ведутся исследования в области сверхпроводимости и низких температур. Россия также является одним из лидеров по производству СПГ (проекты «Ямал СПГ», «Сахалин-2»).

Интересные факты

• Самая низкая температура, когда-либо достигнутая в лабораторных условиях, составляет около 100 пикокельвинов (10⁻¹⁰ K) — это в миллиарды раз холоднее межзвёздного пространства.
• Жидкий гелий при температуре ниже 2,17 K способен течь вверх по стенкам сосуда (эффект фонтана).
• Криогенные температуры используются для хранения вакцин (например, мРНК-вакцины от COVID-19 требуют хранения при −70 °C).

Источники

• Капица П. Л. «Эксперимент, теория, практика». — М.: Наука, 1981.
• Малков М. П. «Криогенная техника». — М.: Машиностроение, 1985.
• Варгафтик Н. Б. «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей». — М.: Наука, 1972.
• Энциклопедия «Физика низких температур» / под ред. А. С. Боровика-Романова. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999.
• Данные Международного института холода (IIR), 2020.