Физика низких температур. Влияние низких температур на живые организмы и неживую материю

Контрольная работа на тему:

«Физика низких температур. Влияние низких температур на живые организмы и неживую материю»

Содержание

Введение

История физики низких температур

Методы получения низких температур

Измерение низких температур

Значение и применение исследований физики низких температур

Влияние низких температур на живой организм и неживую материю

Заключение

Литература

Введение

Физика низких температур - раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость <#"justify">Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.

Обыватели привыкли к тому, что температура измеряется в градусах Цельсия. Согласно Международной системе единиц температура измеряется в Кельвинах. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0°С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением:

Т = 273,15 K + t.

Так, температура кипения жидкого кислорода по шкале Цельсия составляет -183°С (минус сто восемьдесят три градуса Цельсия), а по шкале Кельвина 90К (девяносто Кельвин), температура кипения жидкого азота -196°С или 77К, температура кипения жидкого водорода -253°С или 20К. Абсолютному нулю 0К, по шкале Цельсия соответствует температура минус 273°С. Ниже этой температуры не бывает во всей вселенной.

Техника, с помощью которой получают столь низкие температуры, называется криогенной техникой. «Крио» в переводе на русский язык означает «холод», а «гениум» - «рождение», таким образом, криогенная техника - это техника порождающая, или вырабатывающая холод.

История физики низких температур

В 1908 году в Лейденской лаборатории голландскому ученому Камерлингу-Оннесу впервые в мире удалось получить сжиженный гелий - самый трудно-сжижаемый газ. А в 1911 году он же начал изучать физические свойства чистых металлов при низких температурах.

В те годы самыми чистыми металлами были самородное червонное золото и ртуть, которую умели получать несколькими способами. Используя полученные технические возможности, связанные со сжижением гелия, Камерлинг-Оннес внимательно изучал изменение электрического сопротивления этих двух суперчистых металлов с понижением температуры. И оказалось, что ведут они себя совершенно по-разному. Красивое, очень чистое самородное золото понижает свое сопротивление с понижением температуры, но оно остается конечным, сколь бы низкой ни была температура.

А вот ртуть ведет себя совершенно неожиданно. При какой-то очень низкой температуре ее электрическое сопротивление исчезает, становится практически равным нулю.

Вот таким образом Камерлинг-Оннес совершил величайшее открытие. Он обнаружил явление сверхпроводимости металлов. Теоретически это явление обосновано спустя полвека советским ученым Н.Н. Боголюбовым и, независимо от него, американскими учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером и Л. Купером. Этим ученым принадлежит приоритет в разработке теории сверхпроводимости металлов.

Со времени открытия явления сверхпроводимости до начала 40-х годов 20 века область физики низких температур развивалась довольно медленно. Во всем мире в области криогеники работало не более 500-600 человек. Область была трудной, дорогой потому, что само вещество, с помощью которого получали низкие температуры, было дорогим.

Располагая уникальными возможностями проведения исследований вблизи абсолютного нуля, ученые пытались изучить все, что только было можно. Они исследовали металлы, диэлектрики, живую материю, живые существа. Это были годы, когда пытались выяснить даже вопрос о том, влияют ли низкие температуры на период полураспада радиоактивных элементов.

В этот период было открыто, что жидкий гелий обладает теплопроводностью, которая конкурирует с теплопроводностью самых лучших металлов. Жидкий гелий - вещество, которое сжижается и остается жидким при самой низкой температуре, вплоть до абсолютного нуля, затвердевает только в том случае, если его поместить в сосуд и поднять там давление до 25 атмосфер.

При исследовании свойств жидкого гелия П.Л. Капица обнаружил, что эта удивительная жидкость обладает не только сверхтеплопроводностью, но и обладает еще одним уникальным свойством, свойством сверхтекучести, свойством, которое характеризуется тем, что эта жидкость может протекать сквозь самые тончайшие капилляры и поры без всякой вязкости, без всякого сопротивления.

В годы Великой Отечественной войны обострился интерес к криогенике. Это было вызвано созданием нового вида оружия, новой военной техники, которая представляет собой ракетную технику.

В послевоенные годы бурное развитие металлургической и химической промышленности (например, кислородное дутье в мартеновских печах, выработка аммиака, мочевины и др. продуктов) потребовало колоссального количества кислорода и азота. Получать эти газы с помощью обычных химических реакций можно, но только в пробирке. А обеспечение азотом и кислородом заводов и фабрик в промышленных масштабах можно осуществить только с помощью глубокого охлаждения.

Установки, с помощью которых разделяют воздух на составные элементы - это грандиозные сооружения, работающие продолжительное время по непрерывному циклу.

С разработки, изготовления и запуска таких установок и началось развитие отрасли криогенного машиностроения, что в свою очередь вызвало бурное развитие разных областей науки.

Несмотря на то, что в настоящее время существует развитая теория сверхпроводимости проводников, сверхтеплопроводности и сверхтекучести жидкого гелия, теория осцилляционных явлений, ученые продолжают исследования свойств веществ в экстремальных условиях. Оказывается, когда исследуется вещество в экстремальных, то есть в необычных условиях, то можно многое понять о его поведении в обычных условиях.

Область сверхнизких температур дает в этом смысле неограниченные возможности. По мере освоения передовых технологий производства различных генераторов холода, увеличился интерес к использованию этого холода в различных областях науки и техники. В результате этого в мире сложилась такая ситуация: кто бы ни был исследователь - физик чистый; физик, работающий в области физики металлов, полупроводников, диэлектриков; химик, занимающийся изучением химических реакций, строения химических веществ; биолог, занимающийся изучением свойств клетки, внеклеточных структур; пищевик, заботящийся о длительном хранении пищевых продуктов; исследователи многих других специальностей сосредотачивают свое внимание на современных достижениях криогеники.

Методы получения низких температур

Испарение жидкостей. Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы <#"justify">Снижая давление над свободной поверхностью жидкости можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки 63 K, откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K.

Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия 3Не.

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур - это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Дросселирование. Первый метод - дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При протекании через сужение проходного канала трубопровода - дроссель, либо через пористую перегородку молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, происходит понижение давления газа или пара, и газ охлаждается.

Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа ожижается.

У каждого газа есть определенная температурная точка - инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Поэтому применять метод дросселирования можно, только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (-80° С), а у гелия даже 33 К (-240° С).

Изменение температуры при малом изменении давления в результате дросселирования определяется производной , называемой коэффициентом Джоуля-Томсона.

Расширение с совершением внешней работы. При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается.

Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. На рисунке 1 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атмосфер. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11-12 К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике.

Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух - своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Рис. 1 - Воздушный ожижитель Клода 1 - воздушный компрессор; 2 - детандер; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух

Адиабатическое размагничивание. Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K. Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, то есть соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами.

Эффект Пельтье. Эффект Пельтье используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.

Криостат растворения. В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов <#"justify">Измерение низких температур

Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр <#"justify">Значение и применение исследований физики низких температур

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений - сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при низких температурах, могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики.

В частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из него существование нулевых колебаний при абсолютном нуле температуры объясняют тот факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до 0.

С 60-х гг. 20 в. открыт ряд интересных эффектов, в которых особое значение имеет пространственная когерентность волновых функций на макроскопических расстояниях (сверхпроводящее туннелирование, эффект Джозефсона).

Большое значение имеет изучение свойств жидкого 3He, который представляет собой пример нейтральной квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при температурах около 3 мК и давлении около 34 бар 3He претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее состояние).

Развитие физики низких температур в значительной степени способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела, в частности общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при низких температурах может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К, и газа элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение различных типов квазичастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при низких температурах.

Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии).

Изучение теплоёмкости, теплопроводности и других тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при низких температурах даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и других квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики низких температур.

Ослабление тепловых колебаний решётки при гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах. Применение низких температур играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса.

Охлаждение до сверхнизких температур применяется в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности.

Низкие температуры применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих других случаях.

В химической промышленности низкие температуры используют при производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов и т.д.

В нефтеперерабатывающей промышленности холод необходим при производстве высокооктановых бензинов, некоторых сортов смазочных масел и др.

Искусственное охлаждение применяется и в машиностроении (например, для холодной посадки деталей), строительстве (замораживание грунтов), медицине, при сооружении искусственных катков круглогодичной эксплуатации, для опреснения морской воды и т.д.

Одна из главных областей применения низких температур в технике - разделение газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Применение жидких кислорода и азота многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе.

Низкие температуры используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладоагентом. Высокий вакуум и охлаждение до низких температур позволяют имитировать условия, характерные для космического пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих условиях.

Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и других заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при низких температурах.

Другое направление технических применений низких температур связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (~ 103 кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (пузырьковых камер и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований.

Влияние низких температур на живой организм и неживую материю

температура физика испарение дросселирование

Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений. Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры внешней среды. Это постоянство температуры носит название изотермии и свойственно только теплокровным животным в отличие от холоднокровных, у которых температура тела переменна и мало отличается от температуры окружающей среды.

В условиях целостного организма изменение температуры может влиять на скорость химических реакций как непосредственно, так и косвенным образом. Так, понижение температуры организма, как и в любой неживой системе, замедляет реакции. Но вместе с тем оно может ввести в действие механизмы терморегуляции, ускоряющие реакции.

В отличие от реакций, протекающих в неживых системах, большинство биологических процессов имеют температурный оптимум - интервал температур, в котором реакция протекает с максимальной скоростью. Влияние температуры на скорость биологических процессов часто оценивают с помощью температурного коэффициента Вант-Гоффа. Он показывает, во сколько раз ускоряется процесс при повышении температуры на 10° и зависит от природы протекающих реакций.

Значение температуры заключается в том, что она изменяет скорость протекания биохимических процессов в клетках, и это отражается на жизнедеятельности организма в целом.

По отношению к температуре как к экологическому фактору все организмы подразделяются на две группы: холодолюбивые и теплолюбивые. Холодолюбивые организмы, или криофилы, способны жить в условиях относительно низких температур и не выносят высоких. Так, древесные и кустарниковые породы Якутии не вымерзают при -700С, в Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, ногохвостки, пингвины.

Известно, что холод значительно повреждает клетки. Это ведет к их гибели. Защита клеток от пагубного действия холода обеспечивается особыми добавками и специальными химическими веществами, получившими название криофилактиков.

Способность выдержать экстремально низкие температуры у разных видов организмов различна. Так некоторые виды растений, произрастающие в районах с холодным климатом, способны выдержать полное замерзание тканей и понижение температуры окружающего воздуха до -620С (лиственница) и ниже. Но некоторые растения (особенно низшие) и семена не повреждаются иногда даже при температурах, близких к абсолютному нулю (до -2700С).

Повреждение растений холодом сопровождается потерей тургора листьями, изменением окраски из-за разрушения хлорофилла. Основная причина гибели от низких положительных температур заключается в нарушении обмена веществ, т.е. процессы распада начинают преобладать над процессами синтеза, накапливаются ядовитые вещества, нарушается структура цитоплазмы.

Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например, мягкая и упругая резина становится при температуре около 200 К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло. Так же ведут себя многие металлы, например, сталь, свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры увеличивает прочность, оставляя им достаточную пластичность. Таковы, например, медь, ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготовляют аппараты, которые используются при низких температурах.

Заключение

Издавна огонь даровал людям тепло, свет и жизнь, а холод нес с собой ужас и смерть. Сотни лет назад люди строили храмы в честь огня, и лишь в середине XX века на Земле появились храмы, воздвигнутые человеком в честь холода. С помощью холода раскрыты такие феномены физики и биологии, которые удивляют, поражают воображение.

В настоящее время большого внимания заслуживает использование технологии криоконсервирования генетического материала (в животноводстве), технология замедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературной обработки (растениеводство). Созданы хранилища, позволяющие длительное время сберегать кровь, материнское молоко, спинной мозг и другие живые биологические ткани.

Теперь возможно и широко применяется пересадка больным консервированного с помощью низких температур костного мозга - цельной кроветворной ткани. Холод стал помощником нейрохирургов, проникающих в глубины мозговой ткани, вошел в арсенал оториноларингологов, использующих его для удаления миндалин. Офтальмологи с помощью метода криоэкстракции удаляют катаракту. Кардиологи после процесса замораживания теперь могут извлечь тромб из глубоко расположенных периферических сосудов-артерий и вен.

В 1964 году в Филадельфии увидел свет первый ребенок - плод искусственного осеменения сперматозоидом, в течение нескольких лет хранившимся при низкой температуре. Учеными был разработан метод консервации: жидкая сперма покрывалась защитной смесью яичного желтка с глицерином и мгновенно замораживалась, когда ее погружали в жидкий азот. Сохраняемую таким образом сперму можно довольно просто разморозить. Для этого ее надо погрузить в тепловатую воду, имеющую температуру человеческого тела. В настоящее время уже родилось сотни тысяч детей, зачатых методом искусственного оплодотворения. Этот же метод широко используется в животноводстве для искусственного осеменения скота.

Тесная взаимосвязь физических, химических и биологических явлений позволяет утверждать, что исследование эффекта криовоздействия в любой конкретной области может привести к фундаментальным открытиям, что, в свою очередь, необходимо для создания технологии будущего.

Литература

1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия по адресу: #"justify">. Карелин П.К. Физика низких температур (Краткий исторический очерк) / ООО «НТК «Криогенная техника» - с. 9-20.

. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. - М. : Машиностроение, 1990. - 208 с.

. Степановских А.С. Экология. М., 2001. - 703 с.

5. Физика <http://www.pandia.ru/72313/> низких температур / Пер. с англ. под общ. ред. А.И. Шальникова. - М., 1959.

. Энциклопедия Wikipedia по адресу: <http://www.wikipedia.org>

Больше работ по теме: