低温流体及材料

低温流体及材料第一页，共三十二页，2022年，8月28日项目符号单位甲烷CH4

氧O2

氩Ar空气氮N2

分子量M16.0432.0039.94428.96628.018沸点Tb

K111.790.18887.2978.9/81.777.36熔点(近似)TmK90.754.483.85—63.2临界温度Tcr

K191.06154.78150.72132.55126.26临界压力Pcr

MPa4.645.1074.8643.7693.398三相点温度Ttr

K90.6654.36183.81—63.15三相点压力Ptr

kPa11.6680.15268.92—12.536饱和液体密度ρL

kg/m3

424.511421400≈873808饱和蒸气密度ρV

kg/m31.84.85.74.484.61密度(标准状态)ρ0

kg/m30.71671.42891.7851.29281.2506气化热(1atm)rVkJ/kg509.54212.76163.02205.5199熔化热(近似)rm

kJ/kg58.613.9529.55—25.8常用低温工质的基本性质第二页，共三十二页，2022年，8月28日项目符号单位氖Ne(n)–正常氢(e)–平衡氢氦4He氦3He氪Kr氙Xe分子量M20.1832.0164.0033.01683.80131.3沸点Tb

K27.10820.39(n)20.28(e)4.2243.191119.8165.05熔点(近似)TmK24.613.96——115.95161.35临界温度Tcr

K44.4533.24(n)32.90(e)5.20143.324209.4289.75临界压力Pcr

MPa2.7211.297(n)1.287(e)0.22750.1165.515.88三相点温度Ttr

K24.5613.95(n)13.81(e)——115.76161.37三相点压力Ptr

kPa73.317.2006(n)7.0406(e)——73.681.6饱和液体密度ρL

kg/m3

1204≈70.81256024133057饱和蒸气密度ρV

kg/m3≈4.81.34≈15.5≈228.95—密度(标状)ρ0

kg/m30.90040.08990.17850.1343.7455.85气化热(1atm)rVkJ/kg85.744720.88.5107.596.2熔化热(近似)rm

kJ/kg16.6258.75.7—19.5517.62第三页，共三十二页，2022年，8月28日低温流体的热物理性质

状态性质传输性质相图三相点临界点假临界线第四页，共三十二页，2022年，8月28日5主要组分氧、氮、氩、CO2，及微量稀有气体(氖、氦、氪、氙)、甲烷及其它碳氢化合物、氢、臭氧等。此外，还含有量少而不定的水蒸汽及灰尘等空气及其组成气体的性质若不考虑水蒸汽、CO2和各种碳氢化合物，则地面至100km高度的平均组分保持恒定，在25km高空臭氧的含量有所增加空气组成的局部分布是不一致的

第五页，共三十二页，2022年，8月28日地球表面干燥空气的组成组分体积（％）质量（％）氮N278.084

75.52氧O220.95

23.15氩Ar0.93

1.282二氧化碳CO20.03

0.046氖Ne18×10-4

12.5×10-4

氦He5.24×10-4

0.72×10-4乙炔及其它烃类2.03×10-41.28×10-4甲烷CH41.5×10-40.8×10-4氪Kr1.14×10-43.3×10-4氢H20.5×10-40.035×10-4一氧化氮N2O0.5×10-40.8×10-4氙Xe0.08×10-40.36×10-4臭氧O3

0.04×10-40.05×10-4氡Rn6×10-187×10-17总计99.999999.9999第六页，共三十二页，2022年，8月28日氮(Nitrogen)氮的原子序数是7，有两种稳定的同位素,中子数分别为14和15（相对含量10000:38）氮气(N2)是空气的主要组份（78.08%的体积比或75.45%的重量比），可从空气分离得到。液氮：纯净无色的液体。在标准大气压下,液氮在77.36K时沸腾,在63.2K时凝结成固体。密度比水略小，汽化潜热远小于水(2257kJ/kg)。用途：合成氨化工、保护气、吹扫气、食品气调与冷藏、低温生物与医疗、重要低温冷源

第七页，共三十二页，2022年，8月28日氧(Oxygen)氧的原子序数是8，有三种稳定的同位素，中子数16、17和18（相对含量10000:4:20）。氧气(O2)是空气中第二多的气体(占体积含量的20.95%,重量含量的23.2%)，从空气分离得到。液氧呈蓝色。在标准大气压下,液氧在90.18K时沸腾,在54.4K时凝固。密度比水略大，气化潜热与液氮相当。液氧具有轻微的磁性。用途：冶金（炼钢、炼铁）、氧化剂（合成气生产等）、助燃剂（包括航天）、生命维持、焊接切割。氧的化学性质活跃，注意储运和使用第八页，共三十二页，2022年，8月28日氢的三种同位素：原子量为1的氕（符号H，通称氢）；原子量为2的氘（D，亦称重氢）；原子量为3的氚（T）氕和氘是稳定的同位素；氚是一种放射性同位素，半衰期12.26年。氚放出β射线后转变成3He。氚是极稀有的。在1018个氢原子中只含有0.4～67个氚原子，自然氢中几乎全部是氕（H）和氘(D)。氢（Hydrogen)不论是哪种方法获得的氢，其中氕的含量高达99.987％，氘含量的范围在0.013～0.016％之间。因为氢是双原子气体，绝大多数的氘原子都是和氕原子结合在一起形成氘化氢（HD），分子状态的氘D2在自然氢中几乎不存在。因此普通氢实际上是H2和HD原子的混合物，HD在混合物里的数量在0.026～0.032％之间。第九页，共三十二页，2022年，8月28日氢气无色、无味无嗅，极难溶解于水，是最轻的气体，标准状态下密度为0.0899kg/m3，只有空气密度的1／14。在所有的气体中比热最大、导热率最高、粘度最低。氢分子具有最高的扩散能力，甚至能透过一些金属。氢的热物理性质氢的转化温度比室温低的多，约为204k。因此，必须把氢预冷到该温度以下再节流膨胀才能产生冷效应。易燃易爆，氢气在氧或空气中燃烧时产生几乎无色的火焰（不含杂质），着火能很低。常态下氢与空气混合物中体积浓度为4～75％时燃烧，浓度为18～65％时极易引起爆炸。因此进行液氢操作时需对液氢纯度进行严格控制。氢在低温技术中常用作工质，液化后可作为低温冷却剂，还是理想的清洁能源，在火箭技术中被用作为推进剂。利用氢为原料还可以生产重氢，以满足核动力的需要。第十页，共三十二页，2022年，8月28日11氩、氖、氪、氙等惰性气体的共性气体无色无味，无毒不燃烧、也不助燃，化学性质很稳定液体无色透明固体密度比液体大，在液体中下沉主要从空气中分离或合成氨尾气中提取，氪、氙还可从原子反应堆核裂变气中回收稀有气体—氖、氦、氩、氪、氙第十一页，共三十二页，2022年，8月28日氩（Ar）在空气中的容积百分率为0.93％，是空气第三大组分。标准沸点为87.29k。氩的沸点和熔点之间的温差不大，只有3.44K；导热率低，液态和气态的比热都比较小，而密度却比较大。此外，氩的气化潜热同液体比热的比值几乎是氮的1.5倍，因此用真空泵较易对氩抽空。可用作保护气体或用于灯泡工业；液氩和固氩可用作冷却剂。氖（Ne）标准沸点27.108k，密度高，是一种很有希望的低温工质，特别适用于透平机械。三相点温度(24.56K)只比标准沸点低2.5K，在液氖上部抽气时很容易变为固态。故液氖作为低温冷却剂一般用于40～25K温区。目前仍只能从空气分离中提取氖。氪（Kr）分子量大，标准状态密度下是氮的三倍；导热率很低；标准沸点119.8K，比氧高约30K；液氪密度2413kg／m3，115.95k变成固态氙（Xe）是空气中含量最少的稀有气体，容积百分数只有0.08ppm，五种稀有气体中，氙的分子量最大，沸点最高，密度最大，导热率最小。标准沸点为165.05K，液氙密度高达3057kg/m3,比水要大两倍。固态氙的熔点为161.35k。稀有气体—氩、氖、氪、氙第十二页，共三十二页，2022年，8月28日氦（Helium)氦是由原子量为4.003的4He和3.016的3He两种稳定同位素氦在空气中的含量仅5.24ppm，氦生产主要从天然气中提取。氦中3He的含量约占1／107～1／106。通常指的是4He氦气无色、无味，化学性质极其稳定。临界温度很低，是自然界中最难液化的气体；4He的标准沸点是4.224k，3He是3.191k。高比热、高导热率及低密度方面仅次于氢，是一种极好的低温制冷剂零点能大，在压力低于25atm，温度接近0K时仍保持液态液氦4He是一种容易流动的无色液体，表面张力极小，折射率(1.02)和气体差不多，因此氦液面不易看见液氦的气化潜热比其它液化气体小得多，1atm下4He为20.8kJ／kg，3He为8.5kJ／kg，极易气化，需绝热良好的容器来贮存第十三页，共三十二页，2022年，8月28日4He的性质三个区：气体区、液体区、固态区；没有固、液、气三相点第二类相变：液氦有两种不同的状态，HeⅠ（常流体）和HeⅡ（超流体）。两者之间的分界线为λ线。HeⅠ和HeⅡ之间的转变是一种高阶相变，转变时没有潜热的放出或吸收，容积和熵值也没有变化—第二类相变(λ相变)λ线与蒸汽压曲线相交的点称为λ点。该点温度是HeⅡ的最高温度，2.172K即要达到HeⅡ相，温度至少要降到2.172K。第十四页，共三十二页，2022年，8月28日比热容比热容随温度的变化呈λ形，在λ点趋于无穷大，稍许偏离后即迅速减小,比热容随温度和密度变化第十五页，共三十二页，2022年，8月28日动力粘度饱和态HeI，除在λ点附近外，动力粘度基本保持在饱和压力以上，当密度小时，动力粘度随温度减小而减小；当密度大时，随温度减小而增大；接近λ线时显著减小HeII粘度极小，用毛细管流法已难以测定第十六页，共三十二页，2022年，8月28日在饱和压力以上，HeI导热系数随压力变化很小，随温度升高而增大在λ相变温度以下，HeII具有超强导热性，比银的导热性还好，其导热规律已不能用傅立叶定律说明，蒸发只在液体表面进行导热系数第十七页，共三十二页，2022年，8月28日材料的低温性能机械性能热性能电磁性能第十八页，共三十二页，2022年，8月28日极限强度和屈服强度温度降低时，材料中原子的振动减弱。由于原子的热扰动的减弱，就需要更大的力才能将位错从合金中分开。因此，材料的极限强度和屈服强度将增大。（1）2024—T4铝；（2）铍青铜；（3）K蒙乃尔合金；（4）钛；（5）304不锈钢；（6）C1020碳钢；（7）9镍钢；(8）特氟隆（Teflon)；（9）Invar-36合金第十九页，共三十二页，2022年，8月28日疲劳强度疲劳现象的产生是由于裂纹的产生和扩大。温度降低时，需要更大的应力才能使裂纹扩大，因此，材料的和疲劳强度将增大。

第二十页，共三十二页，2022年，8月28日冲击强度

一些材料会发生塑性脆性的转变，如碳钢在液氮温度附近冲击强度急剧下降。抗冲击性的表现好坏大部分取决于材料的晶体结构。面心立方晶格在低温下抗冲击性较好，体心立方晶格较差。少数材料，如一些玻璃钢材料，在低温下冲击强度会提高第二十一页，共三十二页，2022年，8月28日硬度和延展性

脆性和塑性材料的分界是5%的伸长率或0.05cm/cm的应变。对低温下无塑脆性转变现象的材料，延展性随温度下降而上升。有低温塑脆性转变的材料，延展性在低温下会急剧下降，不应用于低温。与极限强度一样，温度降低，金属材料硬度增大。第二十二页，共三十二页，2022年，8月28日弹性模量

三种弹性模量：杨氏模量E，剪切模量G，体模量B。三者以泊松比相联系。弹性模量是原子和分子间作用力的体现，因此当温度下降时，弹性模量增大。各向同性材料的泊松比在低温范围内随温度变化很小。第二十三页，共三十二页，2022年，8月28日热性能:热导率材料热传导的三种机理：1)电子运动：金属导体。2)晶格振动：固体。3)分子运动：有机物固体和各种气体。液体主要是分子振动能量传递，气体主要是平动（单原子）以及平动与转动（双原子）能量传递。由气体分子运动论，材料热导率的理论表达式第二十四页，共三十二页，2022年，8月28日固体热导率固体热导率液氮温度以上，纯金属热导率基本为定值；液氮温度以下，热导率与T-2成正比；达到一极值后，热导率随温度下降而下降。无序合金和不纯金属热导率随温度下降而下降，合金中无最大值现象。第二十五页，共三十二页，2022年，8月28日固体的比热容德拜(Debye)模型假设固体为连续介质，定义德拜温度和德拜函数高温时(T>3

θD)

，比热容接近定值3R。温度很低时(T<θD/12)，固体的晶格比热容与绝对温度三次方成正比，非金属比热容即是如此（德拜三次方定律）。

第二十六页，共三十二页，2022年，8月28日电子比热容对金属，自由电子对比热容也起作用。电子比热容与绝对温度成正比。由于电子比热容常数很小，故常温下电子比热容很小。但在极低温度下，电子比热容变得重要。第二十七页，共三十二页，2022年，8月28日热膨胀系数对各向同性材料，温度升高时，原子平均间距的增长速率随温度的上升而增大，因此膨胀系数随温度升高而增大。固体的热膨胀系数与德拜比热随温度变化的情况相同。低温()时，与绝对温度三次方成正比。第二十八页，共