低温物理与技术-第2章 低温液体.ppt

1、预冷型林德-汉普森制冷机及其热力循环图,第二章 低温液体,获得低温的一些主要方法,120K温度区：烷、烯、炔等，如：石油气（主要为戊、己烷）、天然气（主要为甲烷） 80K温度区：空气成分：氧、氮、氩等 20K温区：氢 4K温区：氦 超低温区：3He,低温工质的种类,循环工质的性质,空气是由什么组成的,空气含有多种气体,其他气体,二氧化碳,（0.94）,（0.03）,（0.03）,体积分数,空气的分离,氮是一种无色无味的气体，比空气稍轻，难溶于水； 氮的化学性质不活泼，通常情况下很难与其它元素直接化合，可用作保护气体； 在高温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应； 氮无毒，又不能磁化，其沸点

2、比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但需当心窒息； 液氮也用于氢、氦液化装置中，作为预冷； 液氮应小心储存，避免同碳氢化合物长时间的接触，以防止碳氢化合物过量溶于其中而引起爆炸； 液氮的蒸发温度为77.36K； 在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时转变成无色透明的结晶体； 液氮的沸点和凝固点之间的温差不到15K，因而在用真空泵减压时容易使其固化； 因固态氮的密度比液氮大，所以沉降在底部； 在大约35.6K时，固态氮产生同素异形转变，并伴随比热容的增大。 转化热约为8.2kJ/kg。,氮的性质,2.1 液氮,带尾巴的高真空绝热金属杜瓦,无色无味的气体，标准状态下的密度是1.430

3、kg/m3，比空气略重；氧较难溶解于水； 氧的化学性质非常活泼，它能与很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时还会燃烧发光； 氧与其它大多数气体的显著不同在于具有强的顺磁性，且某些气态的氧化合物（如一氧化氮）也有顺磁性；氧的这一特性已被利用来制作氧磁性分析仪，根据磁化率的变化可以测出抗磁性气体混合物中所含微量氧的浓度； 由于氧的化学活性很强，是一种强氧化剂，所以氧同碳氢化合物混合是很危险的，液氧中存在碳氢化合物结晶体已不止一次引起过严重的爆炸事故。因此，液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油、炭、木材、沥青、纺织物品接触； 在标准大气压下，氧在90.188K时变为易于流动的淡

4、蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶； 液氧和固态氧的淡蓝色是含有少量的氧聚合物O4而引起的； 虽然氧的沸点比氮几乎高13K，可是它的凝固点却比氮低约9K； 固态氧的密度大，因此在液氧中下沉； 在43.80K和23.89K时，固态氧发生同素异形转变，并伴随有转化热；在40.80K时转化热超过溶化热，约为23.2KJ/Kg；在23.89K时转化热只有2.93KJ/Kg。,氧的性质,精馏塔主要由下塔、上塔 及冷凝蒸发器组成。,冷凝蒸发器： 作用: 供氮气冷凝和液氧蒸发用，以维持精馏塔精馏过程的进行。 结构: 为多层板翅式，相邻通道的物流通过翅片和隔板进行良好的换热。 使用方式: 冷凝蒸发

5、器一般置于上、下塔之间，下塔上升的氮气在其间被冷凝，而上塔回流的液氧在其间被蒸发。这个过程得以进行，是因为氮气压力高，液氧压力低。例如氮气压力为0.511MPa时，液化温度为94.4K，而液氧在压力为0.1389MPa时，蒸发温度93.1K，两者温差1.3K。这样，氮气的冷凝和液氧的蒸发就可进行。各类冷凝蒸发器都是按此原理进行的，只是冷凝和蒸发的介质不同而已。,精馏系统,下塔与上塔: 作用: 利用混合气体中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组分。 结构: 塔体为圆筒形，下塔内装多层筛板，筛板上设置溢流斗，有一个溢流挡板，并密布小孔。上塔内装规整填料及液体分布器。 使用方式: 下塔精馏过程

6、中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液层高度。当气体由下而上穿过筛板小孔时与液体接触，产生了鼓泡,这样就增加了汽液接触面积，使热质交换过程高效地进行。低沸点组份逐渐蒸发，高沸点的组份逐渐液化，至塔顶就获得低沸点的纯氮，在塔底获得高沸点的富氧液空组份。上塔在精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升，液体自上往下通过分布器均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液充分接触进行高效的热质交换。上升气体中低沸点组份(氮)含量不断提高。高沸点组份(氧)被大量的洗涤下来，形成回流液最终在塔顶得到低沸点纯氮，塔底得到高沸点的液氧。,精馏系统,海兰特系统可以得到液氮和液氧产品,氢

7、的性质,最轻的工质；无色无味，极难溶于水；标准状态下H2的密度为0.0899kg/m3，是空气的1/14.38； 粘度最低、比热容最大、热导率最高； 扩散能力很强，不仅能穿过极小的空隙，甚至能透过一些金属，如钯（Pd）从240开始便可以被氢渗透， 易泄漏； 氢有三种同位素：原子量为1的氕（符号H）；原子量为2的氘（符号D）和原子量为3的氚（符号T）。氕（通称氢）和氘（亦称重氢）是稳定的同位素；氚则是一种放射性同位素，半衰期为12.26年。氚放出射线后转变成3He。 氚是极稀有的，在1018个氢原子中只含有0.467个氚原子，所以自然氢中几乎全部是氕（H）和氘（D），它们的含量比约为6400：1

8、。 不论是那种方法获得的氢，其中氕的含量高达99.987%，氘（D）含量的范围在（0.0130.016）%之间。 事实上，因为氢是双原子气体，所以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，普通的氢实际上是H2和HD的混合物，HD在混合物里的数量在(0.0260.032）%之间。,2.2 液氢,由双原子构成的氢分子H2内，由于两个氢原子核自旋方向的不同，故存在着正、仲两种形状。 正氢（oH2）的原子核自旋方向相同，仲氢（pH2）的原子核自旋方向相反。正、仲态的平衡组成与温度有关。 氢气在氧或空气中燃烧时产生几乎无色的火焰（若氢中不含

9、杂质）, 其传播速度很快，达2.7m/s；着火能很低，为0.2mJ。 在大气压力及293K时氢气与空气混合物的燃烧体积分数范围是（475）%（以体积计）；当混合物中氢的体积分数为（1865）%时特别容易引起爆炸。氢是一种易燃易爆物质； 因此进行液氢操作时需要特别小心。而且应对液氢纯度进行严格的控制与检测。 转化温度很低，约204K。必须把氢预冷到此温度以下再节流方能产生冷效应。 氢不仅在低温技术中可以用作工质，或者液化之后可作为低温冷却剂，而且氢还是比较理想的清洁能源。 在火箭技术中氢被作为推进剂，同时利用氢为原料还可以产生重氢，以满足核动力的需要。,氦气制冷的氢液化系统,氦（Helium）为

10、稀有气体的一种。在自然界，存在着 3He和4He两种同位素。4He的原子核有两个质子和两个中子，称为玻色子；而3He只有一个中子，称为费米子。 氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。,2.3正常液体4He的性质 量子流体液氦,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11071106。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

11、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20.8kJkg，3He为8.5kJkg，极易气化，需绝热良好的容器来贮存,液化气体的理论最小功 (初始点P=101.3kPa，T=300K),考林斯氦液化系统,Heike Kamerlingh Onnes是1908年第一个得到液氦的科学家。他并不满足，还想使温度进一步降低，以得到固态氦。他没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度

12、和增大压力的方法首先得到的），却得到了一个没有预料到的结果。对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。Onnes使液态氦的温度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271的,时候，怪事出现了，液态氦突然停止起泡，变成像水晶一样的透明，一动也不动，好像一潭死水，而密度突然又减小了。这是另一种液态氦。 Onnes把前一种冒泡的液态氦叫做氦，而把后一种静止的液态氦做氦。,液体4He的密度-温度关系,2.17K,动力粘度,饱和态He I，除在点附近外，动力粘度基本保持0.0035Pa.s 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；接近线时显

13、著减小 HeII粘度极小，用毛细管流法已难以测定,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,气体动力学理论给出热导率K、粘滞系数和定容比热cv的关系为 Kcv 2.5 此关系对液体He-I也近似成立,液体4He的介电常数-温度关系,液体4He的膨胀系数-温度关系,液体4He的比热和膨胀系数在相变点附近的精确测量对二级相变理论的发展起了重要的作用,液体4He的比热-温度关系,通常把相变点的温度称为T，当TT ，称液体He-I； 当TT ，称液体He-I

14、I。,Pyotr L. Kapitsa， 18941984,1978年诺贝尔物理学奖一半授予苏联莫斯科苏联科学家学院的卡皮查(Pyotr L.Kapitsa,1894-1984),以表彰他在低温物理学领域的基本发明和发现. 1937年发现氦的超流现象,2.4 液体4He的超流相和喷泉现象,20年代30年代末期，卡皮查发现把一个小玻璃杯按在氦中。玻璃杯本是空的，但是过了一会，杯底出现了液态氦，慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。看，玻璃杯底下出现了液氦，一滴，两滴，三滴不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗？不，玻璃杯一点也不漏。这是怎么

15、回事呢？原来氦是能够倒流的，它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象，只有在低温世界才会发生。这种现象叫做“超流动性” (Superfluidity)，具有“超流动性”的氦叫做超流体(Superfluid)。,后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦II喷泉。在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。氦喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。,氦喷泉效应,如何解释？,T,T,p

16、,热机械效应,如何解释？,4He的低温性质,4He的低温相图,4He的临界点Tc5.20K， Pc0.28MPa. 在一个标准大气压下的沸点为4.315K,氦原子之间的相互作用,范得瓦尔斯力所引起的液体势能曲线,固体势能曲线 与零点能之和,由于零点能的作用使谷位向右移动，增加了原子之间的间距，它的摩尔体积增加了,常压下，为什么液体4He直至绝对零度仍保持液态？,两者之和,零点能,0.02T3,0.1T6.2,液体He-II的比热测量对研究热激发的类型是很重要的,二级相变,在液体4He中发生的超流转变并不是孤立的相变现象它和气液临界点的相变、合金中的有序无序相变、铁磁相变、反铁磁相变和其他二级相

17、变具有共同的特征在实验上总结出了一套规律：临界指数和标度律当温度或其他外参量逼近临界点(如4He中的T)时，有序度参量、比热等以何种速度变化，就以不同的临界指数来表示临界指数之间的关系称标度律.,1971年KGWilson用重正化群理论解决了二级相变的问题，由此他在1982年获得诺贝尔物理学奖,理论预言在饱和蒸汽压下比热和温度的关系由下式给出,其中，t|(T/T)-1|，B，A，和D为常数,TT,TT,液体4He在相变点附近的比热,这和上述重正化群理论预言的公式是一致的,TT,TT,T附近的等压热膨胀系数的测量同样可以用比热类似的公式拟合,TT,1940年前后Tisza首先提出液体He-II由

18、正常液体和超流液体两部分组成，解释了很多He-II的实验性质差不多在同时，Landau从量子流体力学角度独立地提出了更完善的二流体模型,二流体模型,二流体模型假设液体He-II的行为像两种自由混杂的流体的混合物相互之间无粘滞作用，一个叫正常流体，一个叫超流体，它们有各自的密度n和s，且n + s =，这里是通常的液体密度n和s均是温度的函数，T0K时， n0，s ; T= T 时， n ， s 0在0至T之间，随温度增加， n增加， s减小模型又假定超流部分不携带熵，不呈现粘滞性和湍性超流部分的速度vs满足无旋条件,正常流体,超流体,流体动力学方程,由二流体模型的假设得,设单位体积液氦的动量为

19、j，正常流体的速度为vn，超流体的速度为vs，则有,连续性方程,假如忽略二次效应，作为一级近似，则由于压强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项，这在很多实验中是可以的，那么上述方程可简化为,假定不考虑粘滞性，两个流体的运动是可逆的，因此熵要守 恒，得到以下方程,其中，S是每克液体的熵，则S为单位体积的熵,寻找超流体的运动方程,内能,如果体系的体积保持常数，我们增加超流部分的粒子使其质量增加因dS0，所以内能的增加仅由质量变化引起，dUGdM.单位质量超流体的势能应是G这样超流体的运动方程可写成,把G看成是vn和vs等于零时Gibbs函数因,以上七个方程就是在“线性

20、近似”和忽略粘滞效应的情况下流体模型的基本方程,忽略vs的二次项,由上面的式子可得,用二流体模型导出这两个效应 （热-机械效应和机械-热效应）,T,T,p,在平衡情况下，超流无加速度,此方程首先是由HLondon在1939年导出的，所以也称London定则,超流氦膜流,2.5 正常液体3He的性质,3He 的蒸发潜热很小，表明它的冷却能力较弱，因此必须很仔细地尽可能降低液氦杜瓦的漏热。,4He和 3He 的蒸发潜热L随温度的变化,2.2K 以上的热导率比不锈钢（铜）差1 (4) 个量级。2.2K 以下的热导率比铜大4 个量级。,Thermal conductivities of gaseous

21、 and liquid helium,T0.1K,T0.03K,3He的相图,bcc,朗道（Lev Davidovich Landau, 1908-1968）因对凝聚态物质的开创性研究，特别是创立了液氦的超流动性理论，获得了1962年度诺贝尔物理学奖。 朗道在物质凝聚态方面进行过许多继往开来的基础性研究工作，有人甚至认为，从固体物理学到凝聚态物理学的过渡是从朗道的工作开始的。1941年，朗道创立了液体氦的超流动性理论。他用数学方法解释了温度处于2.17K的液氦为什么会失去粘滞性而无磨擦地流动，为什么其热传导率比铜在室温下的热传导率还要大800倍的问题。他还预言，在超流氦中声音将以两种不同的速度

22、传播：一种是大家熟悉的压力波；另一种就是所谓的“第二声”，即温度波。1944年，佩歇科夫实验证实了他的这一预言。,Lev Davidovich Landau,二流体模型的成功在于预言了He-II中存在熵波或称第二声波这首先是由Tisza在1938年根据不太满意的二流体模型得到的，然后Landau在1941年独立地预言了第二声的存在，并由 Peshkov于1944年从实验上得到了证实 从二流体模型的运动方程，我们可以期望得到一个和普通液体一祥的密度波，即第一声波另外还可导出在超流4He中传播的熵波,第二声波,温度波 常流里温度的传播不是波动形式的. 超流里温度以波的形式传播,朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17K时，4He原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3He这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论（BCS理论）的提出使得