2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——低溫物理學(xué)在能源儲存中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述液氦（特別是HeII）在低溫物理實(shí)驗(yàn)和能源儲存應(yīng)用中表現(xiàn)出的一些獨(dú)特性質(zhì)，并解釋這些性質(zhì)產(chǎn)生的原因。二、超導(dǎo)現(xiàn)象的基本特征是什么？請闡述超導(dǎo)態(tài)的微觀機(jī)制（以BCS理論為例）是如何解釋這些特征的。超導(dǎo)儲能（SMES）系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)儲能方式（如抽水蓄能）有哪些主要的優(yōu)勢和劣勢？三、低溫環(huán)境對鋰電池的充放電性能、容量保持和循環(huán)壽命有何影響？為改善鋰電池在低溫下的性能，可以采用哪些材料或結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)措施？請舉例說明。四、液化天然氣（LNG）儲存和運(yùn)輸依賴于深冷技術(shù)。請描述LNG生產(chǎn)過程中主要的低溫分離和液化技術(shù)原理。分析影響LNG儲存罐絕熱性能的關(guān)鍵因素，并說明提高絕熱性能對于降低運(yùn)行成本和提升經(jīng)濟(jì)效益的重要性。五、簡述稀釋制冷機(jī)和脈沖管制冷機(jī)兩種主要的低溫制冷技術(shù)的原理、工作溫度范圍和主要應(yīng)用領(lǐng)域。比較這兩種制冷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。六、結(jié)合熱力學(xué)第二定律，論述將低溫?zé)崮埽ɡ绻I(yè)廢熱中的低溫部分）進(jìn)行有效回收和利用的原理與挑戰(zhàn)。可以列舉一兩種利用低溫?zé)崮艿募夹g(shù)實(shí)例，并簡述其工作原理。七、從材料科學(xué)的角度出發(fā)，說明為什么開發(fā)適用于低溫環(huán)境的特種材料（如低溫結(jié)構(gòu)材料、低溫功能材料）對于能源儲存技術(shù)的進(jìn)步至關(guān)重要？請列舉至少三種這樣的材料及其在能源儲存中潛在的應(yīng)用方向。八、當(dāng)前，將低溫技術(shù)與太陽能、風(fēng)能等可再生能源結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定能源儲存是一個(gè)重要的研究方向。請?zhí)岢鲆粋€(gè)你設(shè)想的具體結(jié)合方案，闡述其基本原理、預(yù)期優(yōu)勢以及可能面臨的主要技術(shù)難題。試卷答案一、答：液氦（特別是HeII）的獨(dú)特性質(zhì)包括：1.零黏滯性（超流性）：HeII在低于2.17K（λ點(diǎn)）時(shí)表現(xiàn)出零黏滯性，可以無摩擦地流過極細(xì)的毛細(xì)管。這是因?yàn)橐汉ぶ械某鞑糠郑ㄒ汉?2）遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，形成了宏觀量子態(tài)。2.噴泉效應(yīng)：當(dāng)HeII與正常液氦接觸時(shí)，若正常液氦被稍微加熱（增加分子動(dòng)能），超流液氦會(huì)自動(dòng)流向正常液氦區(qū)域，形成噴泉現(xiàn)象。這是由于化學(xué)勢差異驅(qū)動(dòng)。3.熱導(dǎo)率極高：HeII的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)超正常金屬，尤其在低溫下，這與其超流部分?jǐn)y帶聲子（量子化的振動(dòng)模式）有關(guān)。4.量子相干性：超流液氦表現(xiàn)出宏觀量子相干性，其波函數(shù)可以很大范圍地保持相干。這些性質(zhì)產(chǎn)生的原因歸結(jié)于液氦-2在低溫下形成了由玻色子組成的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，使得部分原子（超流原子）表現(xiàn)出量子特性。二、答：超導(dǎo)現(xiàn)象的基本特征：1.零電阻：超導(dǎo)體在達(dá)到臨界溫度Tc以下時(shí)，其電阻突變?yōu)榱恪?.完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）：超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，將外部磁場排斥到表面。3.臨界磁場和臨界電流：超導(dǎo)態(tài)會(huì)在一定大小的外部磁場或通過超導(dǎo)體的電流密度超過臨界值時(shí)消失。超導(dǎo)態(tài)的BCS理論微觀機(jī)制：BCS理論認(rèn)為，在低溫下，電子（作為費(fèi)米子）通過交換聲子（量子化的晶格振動(dòng)）形成束縛態(tài)——庫珀對（由兩個(gè)自旋相反、動(dòng)量接近的電子組成）。庫珀對作為玻色子，遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，更容易在更低的能量態(tài)上形成凝聚，從而使得整個(gè)材料處于超導(dǎo)態(tài)。零電阻是因?yàn)殡娮訉φw可以無阻礙地通過晶格；完全抗磁性是因?yàn)樽兓拇艌鰰?huì)在超導(dǎo)體表面誘導(dǎo)超導(dǎo)電流，該電流產(chǎn)生的磁場正好抵消內(nèi)部磁場。SMES優(yōu)勢：響應(yīng)速度快、效率高、循環(huán)壽命長、占地面積小、對電網(wǎng)諧波干擾小。SMES劣勢：初始投資高、超導(dǎo)材料工作溫度低需制冷、存在失超風(fēng)險(xiǎn)。三、答：低溫環(huán)境對鋰電池的影響：1.電化學(xué)反應(yīng)速率降低：低溫下電解液粘度增大，離子遷移數(shù)減小，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速率顯著降低，表現(xiàn)為充放電倍率性能差。2.電解液凝固：低溫下電解液可能凝固，堵塞離子通道，導(dǎo)致電池?zé)o法工作。3.SEI膜不穩(wěn)定：低溫下鋰離子在電解液/負(fù)極界面形成的SEI膜可能不穩(wěn)定或過厚，影響離子傳輸和電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。4.容量衰減：低溫下部分鋰離子無法嵌入/脫出，導(dǎo)致可逆容量損失。改善措施：1.使用低溫電解液：如添加極性溶劑、高電導(dǎo)鹽，或開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)。2.負(fù)極材料改性：如使用納米化石墨、硅基負(fù)極材料，增大比表面積，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑。3.電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化：如減小電極厚度，縮短鋰離子傳輸距離。4.熱管理設(shè)計(jì)：在電池系統(tǒng)中集成加熱裝置，維持適宜工作溫度。四、答：LNG液化技術(shù)原理：主要采用級聯(lián)循環(huán)制冷，利用一系列低溫制冷劑（如甲烷、乙烯、丙烷等）在不同的溫度級別下吸熱降溫，最終將天然氣冷卻至-162°C左右液化。關(guān)鍵過程包括：天然氣預(yù)處理（脫除雜質(zhì)）、初步冷卻、級聯(lián)制冷循環(huán)（多級膨脹降溫）、液化。影響儲存罐絕熱性能因素：絕熱材料的熱導(dǎo)率、密度、厚度、吸濕性、熱穩(wěn)定性、復(fù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如真空夾層）。提高絕熱性能重要性：可顯著減少冷量損失，降低制冷機(jī)組運(yùn)行時(shí)間和能耗，從而降低LNG儲存和運(yùn)輸?shù)目偝杀?，提高?jīng)濟(jì)性。五、答：稀釋制冷機(jī)原理：利用堿金屬（如鉀）在極低溫（1-4K）下與氦氣混合時(shí)，不同同位素（如3He和?He）之間會(huì)發(fā)生自旋交換，導(dǎo)致混合物熵減、溫度降低。通過控制堿金屬的分布和流動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)制冷。脈沖管制冷機(jī)原理：利用壓縮氣體在絕熱可逆膨脹過程中對外做功而降溫，通過閥門周期性地控制氣體的壓縮和膨脹過程，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高。工作溫度范圍：稀釋制冷機(jī)(~1-4K)；脈沖管制冷機(jī)(~4K-20K或更高，取決于設(shè)計(jì))。應(yīng)用領(lǐng)域：稀釋制冷機(jī)用于毫開爾文量級的低溫物理實(shí)驗(yàn)（如核磁共振、光譜學(xué)）；脈沖管制冷機(jī)用于空間科學(xué)、低溫工程、液化氣體生產(chǎn)等。比較：稀釋制冷機(jī)制冷功率大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需極低溫環(huán)境；脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高，但制冷功率相對較低。六、答：低溫?zé)崮芑厥绽迷恚阂罁?jù)熱力學(xué)第二定律，熱量自然流動(dòng)方向是從高溫物體傳向低溫物體。利用低溫?zé)崮芑厥占夹g(shù)，可以通過設(shè)置中間介質(zhì)或循環(huán)系統(tǒng)，將來自低溫?zé)嵩矗ㄈ绻I(yè)廢熱、地?zé)?、環(huán)境空氣等）的熱量強(qiáng)制性地轉(zhuǎn)移給需要加熱的物體或用于驅(qū)動(dòng)熱機(jī)做功，從而提高能源利用效率。挑戰(zhàn)：低溫?zé)嵩礈囟鹊?，傳熱效率低（溫差?。?，熱機(jī)或換熱器效率受限；回收設(shè)備投資高，運(yùn)行成本可能較高；需要匹配合適的應(yīng)用場景。技術(shù)實(shí)例：1.有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）：利用有機(jī)工質(zhì)在較低溫度下（如100°C-250°C）驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電或供暖。2.吸收式制冷：利用低品位熱能（如太陽能集熱、工業(yè)余熱）作為驅(qū)動(dòng)能源，吸收式制冷劑發(fā)生相變實(shí)現(xiàn)制冷?？赡苊媾R的主要技術(shù)難題：提高低溫?fù)Q熱器效率、開發(fā)高效低成本的低溫工質(zhì)、優(yōu)化小溫差熱機(jī)性能。七、答：開發(fā)適用于低溫環(huán)境的特種材料重要性：1.保證設(shè)備功能：低溫下材料性能（如力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)電性、磁性、催化活性）會(huì)發(fā)生顯著變化，需選用能在低溫下保持或滿足特定功能的材料。2.確保結(jié)構(gòu)可靠：低溫可能引起材料脆化、應(yīng)力腐蝕、冷流等，影響設(shè)備的安全性和壽命。3.提升系統(tǒng)效率：低溫材料的選擇直接影響能源儲存轉(zhuǎn)換效率，如超導(dǎo)材料對SMES效率至關(guān)重要。潛在應(yīng)用方向：1.低溫結(jié)構(gòu)材料：如鈦合金、鎳基合金、奧氏體不銹鋼，用于低溫管道、儲罐、閥門等。2.低溫功能材料：如高臨界溫度超導(dǎo)材料（Nb?Sn,YBCO等）、低溫導(dǎo)體材料（純銅、純鋁）、低溫絕緣材料、低溫催化劑。3.儲能相關(guān)材料：如適用于低溫的電解質(zhì)、電極材料、固態(tài)電解質(zhì)、鋰金屬負(fù)極保護(hù)材料。八、答：設(shè)想方案：將低溫制冷技術(shù)與太陽能光伏發(fā)電結(jié)合，構(gòu)建“太陽能-光伏-低溫儲能-電網(wǎng)”系統(tǒng)?；驹恚喊滋炖锰柲芄夥嚵邪l(fā)電，一部分電力用于驅(qū)動(dòng)低溫制冷機(jī)，將環(huán)境空氣或水冷卻至較低溫度（如5°C-15°C），低溫空氣或水儲存在隔熱良好的儲冷罐中。夜間或電力需求高峰時(shí)，釋放儲存的冷能。冷能可用于：1.驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)進(jìn)行空調(diào)