Fyzika nízkých teplot Teplota, kryogenní technika, dosahování nízkých a velmi nízkých teplot, měření teploty, jevy pozorované za nízkých teplot, aplikace

Teplota subjektivně pocit chladu a tepla - latinské slovo "temperatura" lze přeložit jako "příjemný pocit„ objektivně, z pohledu fyziky, je úměrná střední kinetické energii částic v systému v soustavě SI základní fyzikální veličina, jejíž jednotkou je kelvin – K alternativní možnosti – u nás hlavně stupeň Celsia -°C (vedlejší jednotka), zajména v USA se používá stupeň Fahrenheita - °F

Kinetická teorie – absolutní teplota teplota se střední kinetickou energií neuspořádaného pohybu částic v systému k je tzv. Boltzmanova konstanta T je tzv. absolutní teplota, která tedy nemůže být podle předchozí definice menší než 0. 1 K pak odpovídá stejnému teplotnímu rozdílu jako 1 °C, který byl zaveden na základě Celsiovy stupnice

Celsiova stupnice Pro měření teploty potřebujeme stupnici - Celsius stanovil dva pevné body: 0 °C pro teplotu varu vody a 100 °C pro teplotu tání ledu (obojí při tlaku vzduchu 1013,25 hPa). Carl Linné stupnici později otočil a proto je dnes bod tání 0 °C a bod varu 100 °C Ve fyzice je vhodnější pracovat s absolutní teplotou T, jejíž počátek je tzv. absolutní nule (0 K, − 273,15 °C ). Tedy pro teplotu t v Celsiové stupnici {t [°C]} − 273,15 = { T [K] } a tedy { Dt [°C ] } = { DT [K] }, kde { } označuje číselnou hodnotu pro formální správnost rozměrů jednotek ve vztazích. Kelvinova stupnice tak využívá stejné referenční body.

Fahrenheitova stupnice Gabriel Fahrenheit – původně zvolil vlastní referenční body 0 °F je nejnižší teplota, jaké se podařilo Fahrenheitovi dosáhnout (1724) smícháním chloridu amonného, vody a ledu. 96 °F teplota lidského těla později pro zpřesnění použity lépe definované referenční body odpovídající Celsiově stupnici 32 °F – 0 °C a 212 °F - 100 °C Srovnej též Réamurovu stupnici z r. 1730 (0 °R – 0 °C ale 80 °R – 100 °C ), která byla do 19. stol velmi rozšířena, dnes se ale neužívá.

Termodynamická definice teploty Obecná teplota zavádí se jako libovolná monotónní obvykle rostoucí funkce vnitřní energie homogenního systému má neměnnou hodnotu v celém systému a nezávisí na dalších parametrech

Carnotův cyklus – absolutní teplota absolutní teplota je jednoznačnou funkcí vybrané obecné teploty Definice pomocí Carnotova cyklu (vratný, dvě izotermy a adiabaty) 1. izotermické rozpínání Ohřívač – přijato teplo Q1, plyn - teplota T1 2. izotermické stlačování Chladič – odevzdáno teplo Q2, plyn - teplota T2 Pozn.: Vratné (reverzibilní) děj - původního stavu dosáhnout obrácením pořadí jednotlivých úkonů.

Teplota jako integrační faktor Pro vratný cyklus se celkové teplo mění podél uzavřené křivky ve fázovém diagramu, tzn. dQ není tzv. úplný diferenciál Pokud jej ovšem dělíme teplotou, křivkový integrál dS již je úplný diferenciál a funkci S, tzv. entropii, lze považovat za stavovou funkci, t.j. její hodnota nezávisí na historii stavu.

Fyzika nízkých teplot obor nízkých teplot začíná bod bodem mrazu fyzika nízkých teplot studuje jevy v podmínkách těchto nízkých teplot kryogenika (kryos - mráz) – obor zabývající se využitím nízkých teplot a také vytvářením nízkých teplot refrigerátor – zařízení k vytvoření nízkých teplot (většinou využitím vhodného termodynamického děje) kryogen – původně mrazicí směs, dnes se k chlazení používají často kryogenní kapaliny – zkapalněné plyny kryostat – zařízení k udržování konstantní teploty z oblasti nízkých teplot pomocí lázně kryokapaliny (pasívní chlazení – postupný volný odpar plynu) za účelem výzkumu, jeho vnitřní součastí pak bývá refrigerátor (aktivní chlazení – pomocí různých fyzikálních dějů)

Rozdělení nízkých teplot terminologie není zcela jednotná Oblast dosažitelná běžnými technikami zhruba do 120 K (asi -150 °C ). Oblast tzv. nízkých teplot – 120K – 5 K Velmi nízké teploty – zhruba od 5 K níže označuje se tak většinou oblast pod kritickým bodem (5.2 K) nebo bodem varu kapalného helia (4.2K) – též heliové teploty Oblast ultranízkých nebo extrémně nízkých teplot, přibližně pod 1 K – příliš se neujalo.

Dělení oblasti nízkých teplot Nízké teploty se dosahují zkapalněnými plyny s normálním bodem varu do 120 K Jednotlivé oblasti se označují podle názvu kapalného plynu Horní hranice je dána obvykle normálním bodem varu kryokapaliny nebo kritickým bodem Spodní hranice teplotou, kterou je možno prakticky dosáhnout odsáváním par nad kryokapalinou

Nízké teploty dle kryokapalin Např. dusíkové teploty (63,1 - 126K) kyslíkové teploty (54,3 – 155 K) vodíkové teploty (13,8 – 34 K) heliové teploty (0,7 - 5,2 K) – velmi nízké teploty

Velmi nízké teploty Nejčastěji se člení dle přípon násobých jednotek milikelvinová oblast mikrokelvinová oblast nanokelvinová oblast Je si třeba uvědomit, že nároky (energetické i technické) nerostou lineárně s klesající teplotou, snížit teplotu o 1 mK při 100 K není totéž jako při 1K atp. Dělení tedy i vyjadřuje rozdílnost použité techniky chlazení.

Nejnižší teploty Na Zemi -88 °C (cca 185 K) – Antarktida (1960) V laboratoři 450 pK - Massachusettský technologický institut (MIT) - sodíkové atomy tzv. Bose – Einsteinův kondenzát Vesmír 2,76 K – teplota radiačního, tzv. reliktního, záření – pozůstatek velkého třesku Pozor někdy se hovoří o záporných absolutních teplotách (u statistické definice teploty je možné zavést formálně zápornou teplotu – má ovšem jiný význam – inverzní obsazení energetických hladin )

Vývoj kryogenní techniky Účinek chladu (tuhnutí vody, křehnutí materiálu, konzervace potravin, anestetické účinky atp.) je znám minimálně už ve starověku stejně jako účinek teplot vysokých (hlavně oheň). První doložený mechanický stroj na výrobu ledu sestrojen Cullenem (chemik a lékař, nejednotné údaje o prvním předvedení - r.1775, 1756, či dokonce už 1748, Edinburg či Glasgow, kde působil). Použil ruční pumpu pro vytvoření částečného vakua a diethyl ether, který při varu za sníženého tlaku odebíral teplo od okolí. Vynález nebyl ale využit komerčně v praktických aplikacích běžného života.

Vývoj kryogenní techniky Faraday (19. stol.) zkapalňuje pod tlakem řadu plynů Cl, CO2 , H2S, HBr pokouší neúspěšně zkapalnit i tzv. „permanentní plyny“ CO, CH4, O2, N2, H2. Pokusy využívající stlačovaní byly u těchto plynů neúspěšné, protože se nevědělo o nutnosti ochladit plyn pod tzv. kritickou teplotu (objasnil až Andrews 1869). Faraday Andrews

Faradayova laboratoř

Vývoj kryogenní techniky 1877 – R. Pictet a Cailletet (nezávisle ve Švýcarsku a Francii) – zkapalněný kyslík ve formě mlhy. 1883 – Wroblewski a Olszevski (Krakov) – kapalný dusík a kyslík s rozeznatelným meniskem, expanzí kapalného kyslíku zkapalňují i vodík (forma drobných kapiček). 1898 - J. Dewar – pomocí Joulleova-Thomsonova jevu (expanze přes porézní membránu), získávají vodík ve skutečně kapalném stavu. Dewar

Vývoj kryogenní tevcniky 1885 (Německo) – Linde vytváří vratný stroj, tzv. zkapalňovač, využívající pro výrobu kapalného vzduchu opakovné J-T expanze. Lindého stroj představuje první krok k výrobě velkokapacitních zkapalňovačů používaných dodnes.

Vývoj kryogenní techniky Dlouho odolává zkapalnění helium (objeveno nejdříve spektroskopicky na Slunci, roku 1895 pak izolováno z uranových minerálů Ramseyem). 1908 (Leyden) – H. Kamerlingh-Onnes (holandský fyzik) úspěšně zkapalňuje i helium. Zkapalněné helium má nejnižší bod varu z kapalných plynů (4.2 K). Nižších teplot už je potřeba dosáhnout jinými technikami.

Historie dosahování velmi nízkých teplot Vzniká řada laboratoří po celém světě, které využívají zejména kapalného helia. Odčerpáváním par nejběžnějšího 4He je možné dosáhnout teplot do 0,7 K. Pokud se použije lehčí izotop 3He, lze prakticky dosáhnout 0,3 K. 1926 – Giaquie a Debye (nezávisle) navrhují metodu magnetického chlazení, tzv. adiabatická demagnetizace paramagnetických solí – předpoklad dosažení teplot řádu mK.

Historie dosahování velmi nízkých teplot 1933 – Giaquie - první praktické pokusy s adiabatickou demagnetizací – dosahuje 0,5K do r.1972 se daří dosáhnout teplot 2 mK 1975 Ústav jaderné fyziky ČSAV, Řež u Prahy – dosažena teplota 0,5 mK 1934 – Gorter (USA) a Kurti spolu se Simonem (Oxford) navrhují tzv. jaderné chlazení, které využívá jaderných spinů místo elektronových spinů. Nová metoda umožňuje teoreticky dosáhnout teplot řádu 10-7K.

Historie dosahování velmi nízkých teplot až v roce 1956 (Oxford) – první praktické pokusy s jaderným chlazením – soustava jader Cu ochlazena na teplotu 1 mK. 1975 – Lounasmaa (Finsko) dosahuje pomocí dvoustupňové demagnetizační aparatury rekord 50nK. Hledají se i jiné principy chlazení (nejde jen o nízké teploty, ale také o účinnost chlazení nebo udržení nízké teploty ne jen na krátký okamžik)

Historie dosahování velmi nízkých teplot 1951 – H. London upozorňuje na možnost využít rozpouštění 3He v 4He jako prostředku k dosahování nízkých teplot 1962 – London, Clark a Mendoza (Harwell) – navrhují princip kontinuálního rozpouštěcího refrigerátoru 1965 – Něganov (Dubna) – první aparatura s vysokým chladícím výkonem.

Historie dosahování velmi nízkých teplot 1965 – Pomerančuk navrhuje využít anomálních vlastností pevného 3He pod teplotou 318 mK (má vyšší entropii než kapalina). 1965 – Anufriev provedl první experimentální ověření metody, Wheatley v San Diegu dosahuje teplotu pod 2 mK.

Bose – Einsteinův kondenzát Poprvé bylo stavu BEC dosaženo až v roce 1995, kdy se vědcům podařilo realizovat magnetooptickou past, zařízení využívajícího principu laserového ochlazování, kdy laserový paprsek zamezuje pohybu atomů. Díky tomuto postupu se vědci dostali na teploty o něco nižší než 1 mK (milikelvin). K experimentu nejprve posloužily atomy rubidia. Od té doby se BEC stal předmětem intenzivního výzkumu v mnoha světových fyzikálních laboratořích. Podařilo dosáhnout stavu BEC s atomy sedmi dalších prvků, včetně sodíku, a studovaly se jejich projevy.

Bose – Einsteinův kondenzát Fyzikům se dařilo v řadě pokusů ochladit atomy určitých prvků běžně až na teplotu 3nK. Několik milionů atomů sodíku bylo uchyceno do tzv. optické pinzety tvořené laserovými paprsky. Pak byly tyto atomy „polapeny“ do magnetickooptické pasti. Následoval proces adiabatické dekomprese, při němž síť magnetických polí odstranila teplejší atomy. Díky dekompresi teplota kondenzátu (asi 200 tisíc atomů) klesla pod 3nK. Po dalším snížením tlaku (zůstává jen 30 tisíc atomů) se při experimentu podařilo naměřit neuvěřitelných 450 pK (Wolfgang Ketterle a jeho tým - 2003). Skupina fyziků z MITu, která dosáhla rekordně nízké teploty

Aplikace kryotechniky Využívá se nejen v základním fyzikálním výzkumu, ale i v jiných vědních oborech a dokonce i v průmyslu. Biologie a lékařství – v kapalném dusíku lze dlouhodobě přechovávat viry, bakterie, červené krvinky, leukocyty, nádorové buňky, kostní dřeň, kostní štěpy, kůži, rohovku aj. Zemědělství – inseminační zásobníky (uchování spermatu plemenných býků)

Aplikace kryotechniky Chirurgie – kryokautery – nekrvavá bezbolestná destrukce tělních tkání jejich hlubokým zmrazením (rakovinné nádory, kožní – bradavice, oční operace, gynekologie, urologie ... ). Potravinářství – uchovávání potravin Strojírenství a hutnictví – využití kryogenicky vyráběných plynů O2, H2, Ar, Ne pro svařování, řezání, temperování, žíhání, využívá se i přímo kryokaplain k vyvolání transformace struktury oceli, nalisování přesahujících součástí (např. pístní kroužky), drcení gumy a plastů, stabilizace stěn výkopů. Kryokauter

Aplikace kryotechniky Elektrotechnika – ochlazení vodičů pro snížení odporu, snížení šumu elektronických zařízení, specialitou je využití supravodivosti supravodiče umožňují bezeztrátové vedení el. proudu silné magnety (např. pro NMR, nadnášené vlaky MAGLEV, separace, urychlovače, TOKAMAK pro jadernou fůzi,akumulátory energie ...) využití slabé supravodivosti (např. SQUID k detekci slabých mag. polí, či speciální elektronické součástky, standarty napětí, oscilátory, směšovače pro vysoké frekvence, ... ) Jaderná fůze MAGLEV

Aplikace kryotechniky Raketová a kosmická technika kapalný vodík (palivo), kapalný kyslík a flór (okysličovadlo) kapalný dusík – předchlazování nádrží, simulátory vlivu kosmického prostředí na přístroje supravodivé gyroskopy (prstence z niobu a olova rotují v kapalném heliu) pro měření jemných změn gravitačního pole

Vlastnosti kryokapalin