低温物理学

低温物理学 (英语:Cryogenics),又称低温学,是物理学的一个分支,主要研究物质在低温状况下的物理性质的科学,有时也包括低温下获得的生成物和它的测量技术。在低温物理学中的低温定义为 -153°C( -243°F,即120 K)以下的温度。

19世纪,英国物理学家法拉第在一次实验中偶然液化氯气,他由此认为一切气体在低温高压的情况下都可以被液化。到了1840年代,法拉第本人已经成功液化了当时大多数的已知气体,只有氧气氮气氢气一氧化碳二氧化氮甲烷六种气体无法液化,而且创出当时的最低温度( -110°C, 163K)。随后,低温设备不断被改良,逐级降温定压气体膨胀方法开始广泛应用。1898年英国物理学家杜瓦成功液化氢气,标志着这六种气体都能够被液化。1895年,英国化学家从矿石中分离出更难液化的气体——氦气。直至1908年,才成功被荷兰莱顿大学的物理学家海克·卡末林·昂内斯液化,同时令低温记录创下新低( -269°C, 4K)。之后,昂内斯获得1913年的诺贝尔物理学奖

1911年,昂内斯意外发现以( -268.8°C, 4.2K)的液氦冷却时,电阻突然骤降到接近零欧姆(0Ω),此现象即为超导现象。随后,他又发现在低温下也和汞一样具有相似的超导特性。超导效应的发展前景可观,如果能使超导材料在室温下应用,将能大大提高输电的效能,延长材料使用的寿命,降低热损耗。近年,物理学家正不断寻找超导转变温度(Tc)更高的超导材料。目前,高温超导体已经成为凝聚态物理学中最热门的研究领域。

定义与差别

低温物理学

低温物理学是研究如何有效率制造低温环境,并研究物质于低温状态下的变化,例如,粒子震动的变化。此外,低温物理学常用绝对温度(K)及兰金温标(°R)为温度标准,很少会使用摄氏(°C)及华氏(°F)。

低温生物学

低温生物学是生物学的分支之一,主要研究生物器官在低温下的状态及影响。低温生物学最热门的研究为低温繁殖技术

人体冷藏学

人体冷藏学是一项尚未成熟的技术,目的是要冷却人体动物,并希望能在未来使其复活。人体冷藏学与低温生物学不同,现时并没有一个实际而成功的例子。部分人对其可行性有所怀疑,其中有不少是科学家及医生。而且,人体冷藏学还需要面对其相关学科的应用,如低温物理学、低温生物学、流变学医学等等,令其实现增添难度。

低温标准

低温物理学的英语(Cryogenics)源自希腊语,字面意思是“the production of icy cold”,即“冰冻的产物”,又可解作“在低温状态”的类义字。但是,仍没有为低温定下标准,因而没有说明需要制冷至几度才是低温物理学的范畴。美国国家标准技术研究所NIST, National Institute of Standards and Technology)指出,一般而言温度必须低于 -153°C,即120 K,才并入低温学范畴[1]。这温度易于区隔常用冷媒与液氧、液氮等。

工业应用

工业应用上制造液化气体,如液态氮液态氦,其中也会使用到低温物理学的技术。

参考文献

参见

  1. ^ About Cryogenics. trc.nist.gov. [2023-05-23]. (原始内容存档于2023-05-08).