НОВОСТИ   БИБЛИОТЕКА   УЧЁНЫЕ   ССЫЛКИ   КАРТА САЙТА   О ПРОЕКТЕ  






предыдущая главасодержаниеследующая глава

Сверхнизкие температуры

Человечество издавна и с успехом использует высокие температуры. Костры обогревали первобытные жилища в каменном веке. В простейшей кондитерской печи нагрев превышает 520 К. В металлургической печи достигается тысячеградусный уровень, в кузнечной - в 1,5 раза больше, в сталеплавильной температура приближается к 2200 К. Пламя электрической дуги, в которой "тают" тугоплавкие металлы, дает 5000 К. Температуры до 2 млн. градусов зафиксированы в специальных лабораторных установках. Несравненно более высокую температуру образует взрыв атомной бомбы. Предварительные оценки определяют ее в многие миллионы градусов.

Рекорд тепла принадлежит реакции термоядерного синтеза, которая за ничтожные доли секунды поднимает температуру до сотен миллионов градусов.

Может показаться, что в области положительных температур научно-технический прогресс преуспел гораздо больше, чем в области отрицательных. Проверим это небольшим расчетом. Примем за нормальную температуру 300 К. Получается, что ученые, осуществив термоядерную реакцию, превзошли нормальную температуру примерно в миллион раз. В области отрицательных температур рекорд равен миллионным долям градуса. Элементарный расчет показывает: здесь удаление от нормальной температуры оценивается в сотни миллионов раз!

Успехи ученых на пути к абсолютному нулю позволили с гордостью заметить, что в этой области "человек существенно превзошел саму природу". Действительно, реакция термоядерного синтеза дает примерно те температуры, которые возможны в центрах звезд. Сверхнизкие температуры, полученные в земных лабораториях, "обогнали" космический холод в миллионы раз!

Проникновение ученых в область сверхнизких температур вызвано, разумеется, не желанием превзойти природу. Приближение к абсолютному нулю - насущная потребность науки и техники. Оно выявляет неизвестные в природе закономерности, демонстрирует возможности новейшей аппаратуры, позволяет изучать в суровых условиях различные вещества, устанавливать новые свойства материалов. Но, пожалуй, одна из главных причин - многообещающие возможности современной техники сверхнизких температур.

Лет двадцать назад один из специалистов по холоду сказал, что, не считая радиотехники, холодильная техника оказала наибольшее влияние на жизнь современного человечества. Возможно, что сегодня этот специалист смог бы добавить: промышленное освоение сверхнизких температур по степени проникновения в жизнь людей затмит и радио. Не так давно можно было назвать несколько сфер промышленного применения сверхнизких температур. Сегодня же их трудно перечислить.

Давняя область применения сверхглубокого холода - разделение газовых смесей и прежде всего воздуха. Кислород становится жидкостью при 90 К. Сначала он был нужен только для газовой сварки и резки металлов. Сегодня же его требуют и в больших количествах черная и цветная металлургия, химическая промышленность. Им заменяют воздух во многих технологических процессах и тем самым ускоряют их. Например, вдувают в мартеновские печи, используют при газификации твердого топлива, создании синтетического горючего. В СССР работают установки, которые за час перерабатывают 170 тыс.м3 воздуха, извлекая из него 35 тыс.м3 кислорода.

Потребность в чистом кислороде увеличилась в связи с развитием ракетной техники, где он используется как окислитель топлива. В последнее время его пытаются заменить жидким азотом, у которого больший удельный вес, и поэтому он занимает в топливных баках меньше места. В военных самолетах имеются системы, которые дополнительно питают кислородом экипаж во время полета на большой высоте. Сначала для этих целей использовали сжатый газ. Сейчас на борт берут жидкий кислород. Новая система вдвое легче прежних и занимает почти вдвое меньше места. В пассажирских самолетах, где также должен быть аварийный запас кислорода, все еще стоят системы газообразного резерва и потому очень громоздкие. Очередная задача - заменить их устройствами с жидким кислородом.

Другой основной компонент воздуха - азот также нашел широкое применение в технике. Впервые он потребовался в больших количествах при создании атомной бомбы. Сейчас же он во всевозрастающем объеме поступает на предприятия химической промышленности для производства аммиака, удобрений, резины и т.д. Его используют в ракетной технике для продувки различных систем, "передавливания" окислителя и горючего. В вакуумной технике им охлаждают ловушки, что позволяет получить более глубокое разрежение. Необычное применение жидкому азоту нашли шведские взрывники. Когда они работают под землей в черте города, им приходится укреплять жилые дома, здания и другие строительные конструкции, чтобы те не пострадали во время взрыва. Особенно тщательно это приходится делать при работе в слабом грунте, что существенно повышает трудоемкость работ и сводит на нет преимущества взрыва. Жидкий азот замораживает грунт, делает его очень твердым на долгое время. Такой грунт не передает сотрясений окружающим строениям. После того, как азот нагреется, он бесследно испаряется, не оставляя никаких следов.

В последние годы сосуды с жидким азотом появились на многих пищевых предприятиях. Азот отдает холод продуктам. Они замораживаются очень быстро и потому не теряют своих вкусовых качеств. Храниться же при температуре жидкого азота продукты могут очень долго.

В воздухе содержится шесть инертных газов: аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и радон. Их значение в современной технике настолько велико, что только ради получения этих газов имело смысл проводить сложные и дорогостоящие работы по созданию техники сверхнизких температур, которая и есть основное средство их получения.

"Обязанности" инертных газов разнообразны. Они создают пассивную среду, предохраняющую раскаленные металлы от изменений химического состава, регулируют скорость химических реакций, освобождают металлы от растворенных газов, работают в светильниках, приборах электровакуумной техники и т.д. Без инертных газов невозможно было бы получать уран, торий, плутон, бериллий, цирконий, гафний, ниобий, литий, тантал, титан - те металлы, которые незаменимы в ряде современных производств, в частности в атомной энергетике.

Инертные газы участвуют в процессах вакуумной плавки стали. Они не дают жидкому металлу бурлить, когда из него начинает выделяться окись углерода. Чистый газ непрерывно вытесняет окись, "успокаивает" металл и тем самым дает благополучно завершиться реакции. Для обработки тугоплавких металлов построены громадные цехи с аргоновой атмосферой. Чистота аргона в них 99,97%. Рабочие и инженеры входят в цех через специальные тамбуры. Они одеты в изолирующие костюмы и пользуются дыхательными аппаратами.

Другой популярный в технике газ - водород, который превращают в жидкость при сверхнизкой температуре. Он - лучшее ракетное топливо из существующих. Скажем, удельная тяга кислорода вместе с этиловым спиртом или аммиаком не превышает 285 кГ*с/кг. Для кислорода и водорода эта величина на 30-40% больше. Между тем увеличение удельной тяги на 1% позволяет ракете значительно дальше лететь на активном участке и увеличить грузоподъемность почти на 10%.

Для ракет, стартующих на Марс или Венеру, возможно, будет создано топливо из атомарных кислорода и водорода. При переходе их в молекулярное состояние выделяется громадное количество тепла. Атомарный водород в качестве горючего позволит увеличить удельную тягу в 4-5 раз по сравнению с лучшими ракетными топливами, известными сегодня.

Водород как топливо претендует на выдающуюся роль и на Земле. Если удастся заставить его работать в двигателях внутреннего сгорания, то наружу они будут выбрасывать соединения водорода и кислорода, то есть безвредные пары воды. Опытные образцы таких двигателей уже созданы.

Жидкий водород, полученный впервые физиками, "оказывает" им сейчас "ответные услуги". Он наиболее подходит в качестве рабочего тела для пузырьковых камер. В них жидкость в той или иной степени перегрета выше температуры кипения. Если в нее попадает заряженная элементарная частица, жидкость мгновенно вскипает. Кинокамера регистрирует кипение и показывает путь частицы. Благодаря жидководородной пузырьковой камере удалось обнаружить много новых элементарных частиц и изучить их свойства.

Фтор - самый активный окислитель из всех известных - получают при температуре 85 К. Он реагирует почти со всеми органическими и неорганическими веществами и может воспламенить стекло, асбест, воду, бетон, которые считаются образцами негорючести. Очень перспективно ракетное топливо "жидкий фтор - жидкий водород".

Много говорят сегодня о криогенной радиоэлектронике, которая использует, температуры, близкие к абсолютному нулю. Благодаря им чувствительность радиоприемных устройств иногда возрастает в 10 000 раз! Современные радиоантенны способны "увидеть" горящую спичку на расстоянии больше, чем до Луны. Такую, сверхчувствительность они обрели благодаря квантовым усилителям - мазерам. Основа мазера - кристалл искусственного рубина, охлаждаемый жидким гелием. Сверххолод как бы замораживает кристалл, уменьшая тепловое движение .частиц. Мазерцый усилитель позволил снизить собственные шумы всего приемного устройства планетного радиолокатора более чем в 6 раз.

Нагретое тело испускает инфракрасные лучи, которые часто называют тепловыми. Инфракрасное излучение открыто более полутора веков назад, но только сейчас его стали считать соперником и даже преемником молодой радиолокации и отчасти конкурентом фотографии и рентгена. Была создана чувствительная и надежная аппаратура для видения слегка нагретых тел. Она способна отличить объекты, температура которых разнится на тысячные доли градуса. Причем тепловизор может находиться довольно далеко.

Главный элемент тепловизора - фоторезистор, преобразующий тепловые лучи в электрические сигналы. Это теллуристо-свинцовые, селенисто-свинцовые и сурмянисто-индиевые соединения. Они охлаждаются жидким азотом, водородом и гелием и в силу этого обретают большую чувствительность.

С помощью инфракрасных устройств изучают вулканы, реки, подземные воды, ледяные поля, проводят поиск полезных ископаемых. Приемники инфракрасного излучения работают в системах обнаружения, пеленгования и самонаведения ракет, в сельском хозяйстве, медицине...

Одна из основных задач современной электротехники - укрупнение агрегатов. Это выгодно потому, что позволяет снизить затраты на единицу мощности. Однако есть серьезное препятствие: повышение плотности тока ведет к тому, что проводники сильно нагреваются, стало быть, возрастают потери. Электромашиностроители предлагают использовать в качестве проводников чистые металлы с маленьким удельным сопротивлением и к тому же сильно охлаждать их. Тогда электрическое сопротивление резко уменьшится, скажем, у алюминия почти в 1000 раз. Разработаны и проекты криогенных турбогенераторов. Они превосходят обычные не только по электрическим показателям, но и требуют значительно меньше материалов для изготовления.

Еще в прошлом веке русские крестьяне выносили на мороз косы и серпы, чтобы сделать их более твердыми. Известный металлург П. Аносов предлагал закаливать сталь в струе холодного воздуха. Холод благоприятно влиял на металл, он доводил до конца процесс закалки. Благодаря охлаждению повышаются износостойкость режущего инструмента, твердость штампов и пресс-форм, улучшаются качества поверхности стальных деталей и т.д. Все это достигается при не очень большом понижении температуры - до 170 - 150 К. Однако в наши дни в машиностроении нашел применение и сверхглубокий холод.

Очень трудно запрессовать валы или втулки в больших тяжелых машинах. Их ведь не разместишь на столе пресса и не поместишь в печь, чтобы нагреть. Но если это и удастся как-то сделать, то при нагреве покрытия деталей разрушатся.

Значительно упрощается процесс при сильном охлаждении. Втулку или вал замораживают, отчего она уменьшается в размерах и легко проходит в нужное отверстие. Затем деталь нагревается до температуры окружающей среды и принимает прежние размеры. Она намертво садится на положенное ей место. При этом ее "усидчивость" в 2,5 раза выше прочности соединения, собранного под прессом. В массовом производстве при изготовлении двигателей, тракторов, станков используется жидкий азот.

При новом способе штамповки, когда происходит вытяжка деталей из листовой стали, заготовка часто не выдерживает давления. Поэтому предложено охлаждать ту ее часть, на которую давит штамп. Глубокий холод охватывает заготовку ненадолго - всего на 20 - 30 с. Но за это время он в несколько раз увеличивает прочность металла. Затем в дело вступает штамп, который уже не может повредить сталь.

Резиновые детали вырезают из листов на специальных станках или штампуют. В обоих случаях невозможно получить правильный и чистый срез, а значит, и детали точных размеров. Если же резину сильно охладить, то ее можно обрабатывать как металл. Холод помогает избавляться и от заусенцев на резиновых деталях, которые вышли из пресс-форм. С замороженной деталью обращаются как с металлической: ее помещают в специальный барабан, в котором абразивы снимают с резины все лишнее.

Сверхнизкие температуры уже давно признаны медициной. В середине прошлого столетия появились первые криогенные аппараты для удаления опухолей. Десять лет назад глубокое охлаждение взяли на вооружение нейрохирурги. Производя "ледяной" укол в мозг человека, они избавляли его от тяжелых заболеваний центральной нервной системы. Сегодня же ультранизкие температуры оказались нужны офтальмологам и урологам. В Советском Союзе разработан криоаппликатор - прибор для удаления миндалин вымораживанием. В нем циркулирует жидкий азот, который дает охлаждение до 77 К. Достаточно прикоснуться наконечником криоаппликатора к больной миндалине, как она замерзает. Два прикосновения - и миндалина отмирает.

В Институте переливания крови Министерства здравоохранения УССР при сверхнизких температурах удалось в течение 10 лет сохранять костный мозг. Ревизия ампул, в которых он хранился, показала, что его клетки по-прежнему жизнедеятельны. Более того, костный мозг, сохраненный глубоким холодом, был введен больным. И во всех случаях эти операции принесли успех.

Невозможно перечислить весь послужной список сверхнизких температур. Тем более что он с каждым годом расширяется. И происходит это быстро: прежде чем данная работа будет опубликована, наверняка появятся новые области применения сверхнизких температур.

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© NPLIT.RU, 2001-2021
При использовании материалов сайта активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru/ 'Библиотека юного исследователя'
Рейтинг@Mail.ru