1、預(yù)冷型林德-漢普森制冷機及其熱力循環(huán)圖,第二章 低溫液體,獲得低溫的一些主要方法,120K溫度區(qū)：烷、烯、炔等，如：石油氣（主要為戊、己烷）、天然氣（主要為甲烷） 80K溫度區(qū)：空氣成分：氧、氮、氬等 20K溫區(qū)：氫 4K溫區(qū)：氦 超低溫區(qū)：3He,低溫工質(zhì)的種類,循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì),空氣是由什么組成的,空氣含有多種氣體,其他氣體,二氧化碳,（0.94）,（0.03）,（0.03）,體積分?jǐn)?shù),空氣的分離,氮是一種無色無味的氣體，比空氣稍輕，難溶于水； 氮的化學(xué)性質(zhì)不活潑，通常情況下很難與其它元素直接化合，可用作保護(hù)氣體； 在高溫下，氮能夠同氫、氧及某些金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 氮無毒，又不能磁化，其沸點

2、比空氣低，所以液氮是低溫研究中最常用的安全冷卻劑，但需當(dāng)心窒息； 液氮也用于氫、氦液化裝置中，作為預(yù)冷； 液氮應(yīng)小心儲存，避免同碳?xì)浠衔镩L時間的接觸，以防止碳?xì)浠衔镞^量溶于其中而引起爆炸； 液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K； 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氮冷卻到63.2K時轉(zhuǎn)變成無色透明的結(jié)晶體； 液氮的沸點和凝固點之間的溫差不到15K，因而在用真空泵減壓時容易使其固化； 因固態(tài)氮的密度比液氮大，所以沉降在底部； 在大約35.6K時，固態(tài)氮產(chǎn)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨比熱容的增大。 轉(zhuǎn)化熱約為8.2kJ/kg。,氮的性質(zhì),2.1 液氮,帶尾巴的高真空絕熱金屬杜瓦,無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是1.430

3、kg/m3，比空氣略重；氧較難溶解于水； 氧的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡芘c很多物質(zhì)（單質(zhì)和化合物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時放出熱量；反應(yīng)劇烈時還會燃燒發(fā)光； 氧與其它大多數(shù)氣體的顯著不同在于具有強的順磁性，且某些氣態(tài)的氧化合物（如一氧化氮）也有順磁性；氧的這一特性已被利用來制作氧磁性分析儀，根據(jù)磁化率的變化可以測出抗磁性氣體混合物中所含微量氧的濃度； 由于氧的化學(xué)活性很強，是一種強氧化劑，所以氧同碳?xì)浠衔锘旌鲜呛芪ｋU的，液氧中存在碳?xì)浠衔锝Y(jié)晶體已不止一次引起過嚴(yán)重的爆炸事故。因此，液氧必須嚴(yán)格避免同各種油脂、潤滑油、炭、木材、瀝青、紡織物品接觸； 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧在90.188K時變?yōu)橐子诹鲃拥牡?/p>

4、藍(lán)色液體；在54.4K時凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶； 液氧和固態(tài)氧的淡藍(lán)色是含有少量的氧聚合物O4而引起的； 雖然氧的沸點比氮幾乎高13K，可是它的凝固點卻比氮低約9K； 固態(tài)氧的密度大，因此在液氧中下沉； 在43.80K和23.89K時，固態(tài)氧發(fā)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨有轉(zhuǎn)化熱；在40.80K時轉(zhuǎn)化熱超過溶化熱，約為23.2KJ/Kg；在23.89K時轉(zhuǎn)化熱只有2.93KJ/Kg。,氧的性質(zhì),精餾塔主要由下塔、上塔 及冷凝蒸發(fā)器組成。,冷凝蒸發(fā)器： 作用: 供氮氣冷凝和液氧蒸發(fā)用，以維持精餾塔精餾過程的進(jìn)行。 結(jié)構(gòu): 為多層板翅式，相鄰?fù)ǖ赖奈锪魍ㄟ^翅片和隔板進(jìn)行良好的換熱。 使用方式: 冷凝蒸發(fā)

5、器一般置于上、下塔之間，下塔上升的氮氣在其間被冷凝，而上塔回流的液氧在其間被蒸發(fā)。這個過程得以進(jìn)行，是因為氮氣壓力高，液氧壓力低。例如氮氣壓力為0.511MPa時，液化溫度為94.4K，而液氧在壓力為0.1389MPa時，蒸發(fā)溫度93.1K，兩者溫差1.3K。這樣，氮氣的冷凝和液氧的蒸發(fā)就可進(jìn)行。各類冷凝蒸發(fā)器都是按此原理進(jìn)行的，只是冷凝和蒸發(fā)的介質(zhì)不同而已。,精餾系統(tǒng),下塔與上塔: 作用: 利用混合氣體中各組分的沸點不同，將其分離成所要求純度的組分。 結(jié)構(gòu): 塔體為圓筒形，下塔內(nèi)裝多層篩板，篩板上設(shè)置溢流斗，有一個溢流擋板，并密布小孔。上塔內(nèi)裝規(guī)整填料及液體分布器。 使用方式: 下塔精餾過程

6、中，液體自上往下逐一流過每塊篩板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液層高度。當(dāng)氣體由下而上穿過篩板小孔時與液體接觸，產(chǎn)生了鼓泡,這樣就增加了汽液接觸面積，使熱質(zhì)交換過程高效地進(jìn)行。低沸點組份逐漸蒸發(fā)，高沸點的組份逐漸液化，至塔頂就獲得低沸點的純氮，在塔底獲得高沸點的富氧液空組份。上塔在精餾過程中，氣體穿過分布器沿填料盤上升，液體自上往下通過分布器均勻地分布在填料盤上，在填料表面上氣、液充分接觸進(jìn)行高效的熱質(zhì)交換。上升氣體中低沸點組份(氮)含量不斷提高。高沸點組份(氧)被大量的洗滌下來，形成回流液最終在塔頂?shù)玫降头悬c純氮，塔底得到高沸點的液氧。,精餾系統(tǒng),海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品,氫

7、的性質(zhì),最輕的工質(zhì)；無色無味，極難溶于水；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下H2的密度為0.0899kg/m3，是空氣的1/14.38； 粘度最低、比熱容最大、熱導(dǎo)率最高； 擴散能力很強，不僅能穿過極小的空隙，甚至能透過一些金屬，如鈀（Pd）從240開始便可以被氫滲透， 易泄漏； 氫有三種同位素：原子量為1的氕（符號H）；原子量為2的氘（符號D）和原子量為3的氚（符號T）。氕（通稱氫）和氘（亦稱重氫）是穩(wěn)定的同位素；氚則是一種放射性同位素，半衰期為12.26年。氚放出射線后轉(zhuǎn)變成3He。 氚是極稀有的，在1018個氫原子中只含有0.467個氚原子，所以自然氫中幾乎全部是氕（H）和氘（D），它們的含量比約為6400：1

8、。 不論是那種方法獲得的氫，其中氕的含量高達(dá)99.987%，氘（D）含量的范圍在（0.0130.016）%之間。 事實上，因為氫是雙原子氣體，所以絕大多數(shù)的氘原子都是和氕原子結(jié)合在一起形成氘化氫（HD）。 分子狀態(tài)的氘-D2在自然氫中幾乎不存在。因此，普通的氫實際上是H2和HD的混合物，HD在混合物里的數(shù)量在(0.0260.032）%之間。,2.2 液氫,由雙原子構(gòu)成的氫分子H2內(nèi)，由于兩個氫原子核自旋方向的不同，故存在著正、仲兩種形狀。 正氫（oH2）的原子核自旋方向相同，仲氫（pH2）的原子核自旋方向相反。正、仲態(tài)的平衡組成與溫度有關(guān)。 氫氣在氧或空氣中燃燒時產(chǎn)生幾乎無色的火焰（若氫中不含

9、雜質(zhì)）, 其傳播速度很快，達(dá)2.7m/s；著火能很低，為0.2mJ。 在大氣壓力及293K時氫氣與空氣混合物的燃燒體積分?jǐn)?shù)范圍是（475）%（以體積計）；當(dāng)混合物中氫的體積分?jǐn)?shù)為（1865）%時特別容易引起爆炸。氫是一種易燃易爆物質(zhì)； 因此進(jìn)行液氫操作時需要特別小心。而且應(yīng)對液氫純度進(jìn)行嚴(yán)格的控制與檢測。 轉(zhuǎn)化溫度很低，約204K。必須把氫預(yù)冷到此溫度以下再節(jié)流方能產(chǎn)生冷效應(yīng)。 氫不僅在低溫技術(shù)中可以用作工質(zhì)，或者液化之后可作為低溫冷卻劑，而且氫還是比較理想的清潔能源。 在火箭技術(shù)中氫被作為推進(jìn)劑，同時利用氫為原料還可以產(chǎn)生重氫，以滿足核動力的需要。,氦氣制冷的氫液化系統(tǒng),氦（Helium）為

10、稀有氣體的一種。在自然界，存在著 3He和4He兩種同位素。4He的原子核有兩個質(zhì)子和兩個中子，稱為玻色子；而3He只有一個中子，稱為費米子。 氦的應(yīng)用主要是作為保護(hù)氣體、氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體和超低溫冷凍劑。,2.3正常液體4He的性質(zhì) 量子流體液氦,氦（Helium),氦是由原子量為4.003的4He和3.016的3He兩種穩(wěn)定同位素 氦在空氣中的含量僅5.24ppm，氦生產(chǎn)主要從天然氣中提取。氦中3He的含量約占11071106。通常指的是4He 氦氣無色、無味，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。臨界溫度很低，是自然界中最難液化的氣體；4He的標(biāo)準(zhǔn)沸點是4.224K，3He是3.191K。高比熱、高導(dǎo)

11、熱率及低密度方面僅次于氫，是一種極好的低溫制冷劑,零點能大，在壓力低于25atm，溫度接近0K時仍保持液態(tài) 液氦4He是一種容易流動的無色液體，表面張力極小，折射率(1.02)和氣體差不多，因此氦液面不易看見,液氦的氣化潛熱比其它液化氣體小得多，1atm下4He為20.8kJkg，3He為8.5kJkg，極易氣化，需絕熱良好的容器來貯存,液化氣體的理論最小功 (初始點P=101.3kPa，T=300K),考林斯氦液化系統(tǒng),Heike Kamerlingh Onnes是1908年第一個得到液氦的科學(xué)家。他并不滿足，還想使溫度進(jìn)一步降低，以得到固態(tài)氦。他沒有成功（固態(tài)氦是1926年基索姆用降低溫度

12、和增大壓力的方法首先得到的），卻得到了一個沒有預(yù)料到的結(jié)果。對于一般液體來說，隨著溫度降低，密度會逐漸增加。Onnes使液態(tài)氦的溫度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，當(dāng)溫度下降到零下271的,時候，怪事出現(xiàn)了，液態(tài)氦突然停止起泡，變成像水晶一樣的透明，一動也不動，好像一潭死水，而密度突然又減小了。這是另一種液態(tài)氦。 Onnes把前一種冒泡的液態(tài)氦叫做氦，而把后一種靜止的液態(tài)氦做氦。,液體4He的密度-溫度關(guān)系,2.17K,動力粘度,飽和態(tài)He I，除在點附近外，動力粘度基本保持0.0035Pa.s 在飽和壓力以上，當(dāng)密度小時，動力粘度隨溫度減小而減??；當(dāng)密度大時，隨溫度減小而增大；接近線時顯

13、著減小 HeII粘度極小，用毛細(xì)管流法已難以測定,在飽和壓力以上，HeI導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小，隨溫度升高而增大 在相變溫度以下，HeII具有超強導(dǎo)熱性，比銀的導(dǎo)熱性還好，其導(dǎo)熱規(guī)律已不能用傅立葉定律說明，蒸發(fā)只在液體表面進(jìn)行,導(dǎo)熱系數(shù),氣體動力學(xué)理論給出熱導(dǎo)率K、粘滯系數(shù)和定容比熱cv的關(guān)系為 Kcv 2.5 此關(guān)系對液體He-I也近似成立,液體4He的介電常數(shù)-溫度關(guān)系,液體4He的膨脹系數(shù)-溫度關(guān)系,液體4He的比熱和膨脹系數(shù)在相變點附近的精確測量對二級相變理論的發(fā)展起了重要的作用,液體4He的比熱-溫度關(guān)系,通常把相變點的溫度稱為T，當(dāng)TT ，稱液體He-I； 當(dāng)TT ，稱液體He-I

14、I。,Pyotr L. Kapitsa， 18941984,1978年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予蘇聯(lián)莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)家學(xué)院的卡皮查(Pyotr L.Kapitsa,1894-1984),以表彰他在低溫物理學(xué)領(lǐng)域的基本發(fā)明和發(fā)現(xiàn). 1937年發(fā)現(xiàn)氦的超流現(xiàn)象,2.4 液體4He的超流相和噴泉現(xiàn)象,20年代30年代末期，卡皮查發(fā)現(xiàn)把一個小玻璃杯按在氦中。玻璃杯本是空的，但是過了一會，杯底出現(xiàn)了液態(tài)氦，慢慢地漲到跟杯子外面的液態(tài)氦一樣平為止。把這個盛著液態(tài)氦的小玻璃杯提出來，掛在半空?？?，玻璃杯底下出現(xiàn)了液氦，一滴，兩滴，三滴不一會，杯中的液態(tài)氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎？不，玻璃杯一點也不漏。這是怎么

15、回事呢？原來氦是能夠倒流的，它會沿著玻璃杯的壁爬進(jìn)去又爬出來。這是在我們?nèi)粘Ｉ钪袥]有碰到過的現(xiàn)象，只有在低溫世界才會發(fā)生。這種現(xiàn)象叫做“超流動性” (Superfluidity)，具有“超流動性”的氦叫做超流體(Superfluid)。,后來，許多科學(xué)家研究了這種怪現(xiàn)象，又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。其中最有趣的是1938年阿蘭等人發(fā)現(xiàn)的氦II噴泉。在一根玻璃管里，裝著很細(xì)的金剛砂，上端接出來一根細(xì)的噴嘴。將這玻璃管浸到氦中，用光照玻璃管粗的下部，細(xì)噴嘴就會噴出氦的噴泉，光越強噴得越高，可以高達(dá)數(shù)厘米。氦噴泉也是超流體的特殊性質(zhì)。在這個實驗中，光能直接變成了機械能。,氦噴泉效應(yīng),如何解釋？,T,T,p

16、,熱機械效應(yīng),如何解釋？,4He的低溫性質(zhì),4He的低溫相圖,4He的臨界點Tc5.20K， Pc0.28MPa. 在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點為4.315K,氦原子之間的相互作用,范得瓦爾斯力所引起的液體勢能曲線,固體勢能曲線 與零點能之和,由于零點能的作用使谷位向右移動，增加了原子之間的間距，它的摩爾體積增加了,常壓下，為什么液體4He直至絕對零度仍保持液態(tài)？,兩者之和,零點能,0.02T3,0.1T6.2,液體He-II的比熱測量對研究熱激發(fā)的類型是很重要的,二級相變,在液體4He中發(fā)生的超流轉(zhuǎn)變并不是孤立的相變現(xiàn)象它和氣液臨界點的相變、合金中的有序無序相變、鐵磁相變、反鐵磁相變和其他二級相

17、變具有共同的特征在實驗上總結(jié)出了一套規(guī)律：臨界指數(shù)和標(biāo)度律當(dāng)溫度或其他外參量逼近臨界點(如4He中的T)時，有序度參量、比熱等以何種速度變化，就以不同的臨界指數(shù)來表示臨界指數(shù)之間的關(guān)系稱標(biāo)度律.,1971年KGWilson用重正化群理論解決了二級相變的問題，由此他在1982年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,理論預(yù)言在飽和蒸汽壓下比熱和溫度的關(guān)系由下式給出,其中，t|(T/T)-1|，B，A，和D為常數(shù),TT,TT,液體4He在相變點附近的比熱,這和上述重正化群理論預(yù)言的公式是一致的,TT,TT,T附近的等壓熱膨脹系數(shù)的測量同樣可以用比熱類似的公式擬合,TT,1940年前后Tisza首先提出液體He-II由

18、正常液體和超流液體兩部分組成，解釋了很多He-II的實驗性質(zhì)差不多在同時，Landau從量子流體力學(xué)角度獨立地提出了更完善的二流體模型,二流體模型,二流體模型假設(shè)液體He-II的行為像兩種自由混雜的流體的混合物相互之間無粘滯作用，一個叫正常流體，一個叫超流體，它們有各自的密度n和s，且n + s =，這里是通常的液體密度n和s均是溫度的函數(shù)，T0K時， n0，s ; T= T 時， n ， s 0在0至T之間，隨溫度增加， n增加， s減小模型又假定超流部分不攜帶熵，不呈現(xiàn)粘滯性和湍性超流部分的速度vs滿足無旋條件,正常流體,超流體,流體動力學(xué)方程,由二流體模型的假設(shè)得,設(shè)單位體積液氦的動量為

19、j，正常流體的速度為vn，超流體的速度為vs，則有,連續(xù)性方程,假如忽略二次效應(yīng)，作為一級近似，則由于壓強p引起的液氦的速度遵守Euler方程,如果忽略上式中的速度二次方項，這在很多實驗中是可以的，那么上述方程可簡化為,假定不考慮粘滯性，兩個流體的運動是可逆的，因此熵要守 恒，得到以下方程,其中，S是每克液體的熵，則S為單位體積的熵,尋找超流體的運動方程,內(nèi)能,如果體系的體積保持常數(shù)，我們增加超流部分的粒子使其質(zhì)量增加因dS0，所以內(nèi)能的增加僅由質(zhì)量變化引起，dUGdM.單位質(zhì)量超流體的勢能應(yīng)是G這樣超流體的運動方程可寫成,把G看成是vn和vs等于零時Gibbs函數(shù)因,以上七個方程就是在“線性

20、近似”和忽略粘滯效應(yīng)的情況下流體模型的基本方程,忽略vs的二次項,由上面的式子可得,用二流體模型導(dǎo)出這兩個效應(yīng) （熱-機械效應(yīng)和機械-熱效應(yīng)）,T,T,p,在平衡情況下，超流無加速度,此方程首先是由HLondon在1939年導(dǎo)出的，所以也稱London定則,超流氦膜流,2.5 正常液體3He的性質(zhì),3He 的蒸發(fā)潛熱很小，表明它的冷卻能力較弱，因此必須很仔細(xì)地盡可能降低液氦杜瓦的漏熱。,4He和 3He 的蒸發(fā)潛熱L隨溫度的變化,2.2K 以上的熱導(dǎo)率比不銹鋼（銅）差1 (4) 個量級。2.2K 以下的熱導(dǎo)率比銅大4 個量級。,Thermal conductivities of gaseous

21、 and liquid helium,T0.1K,T0.03K,3He的相圖,bcc,朗道（Lev Davidovich Landau, 1908-1968）因?qū)δ蹜B(tài)物質(zhì)的開創(chuàng)性研究，特別是創(chuàng)立了液氦的超流動性理論，獲得了1962年度諾貝爾物理學(xué)獎。 朗道在物質(zhì)凝聚態(tài)方面進(jìn)行過許多繼往開來的基礎(chǔ)性研究工作，有人甚至認(rèn)為，從固體物理學(xué)到凝聚態(tài)物理學(xué)的過渡是從朗道的工作開始的。1941年，朗道創(chuàng)立了液體氦的超流動性理論。他用數(shù)學(xué)方法解釋了溫度處于2.17K的液氦為什么會失去粘滯性而無磨擦地流動，為什么其熱傳導(dǎo)率比銅在室溫下的熱傳導(dǎo)率還要大800倍的問題。他還預(yù)言，在超流氦中聲音將以兩種不同的速度

22、傳播：一種是大家熟悉的壓力波；另一種就是所謂的“第二聲”，即溫度波。1944年，佩歇科夫?qū)嶒炞C實了他的這一預(yù)言。,Lev Davidovich Landau,二流體模型的成功在于預(yù)言了He-II中存在熵波或稱第二聲波這首先是由Tisza在1938年根據(jù)不太滿意的二流體模型得到的，然后Landau在1941年獨立地預(yù)言了第二聲的存在，并由 Peshkov于1944年從實驗上得到了證實 從二流體模型的運動方程，我們可以期望得到一個和普通液體一祥的密度波，即第一聲波另外還可導(dǎo)出在超流4He中傳播的熵波,第二聲波,溫度波 常流里溫度的傳播不是波動形式的. 超流里溫度以波的形式傳播,朗道從理論上解釋了這種現(xiàn)象，他認(rèn)為當(dāng)溫度在絕對溫度2.17K時，4He原子發(fā)生玻色愛因斯坦凝聚，成為超流體，而像3He這樣的費米子即使在最低能量下也不能發(fā)生凝聚，所以不可能發(fā)生超流動現(xiàn)象。金屬的超導(dǎo)理論（BCS理論）的提出使得