додати матеріал


Низькі температури

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

РЕФЕРАТ

"Низькі температури"

2009

А) Температури між нулем і нормальної точкою кипіння рідкого повітря

Новий спосіб отримання низьких температур запропонував Р. Хільш. У пряму циліндричну трубку R з форсунки D вдувається повітря по дотичній до стінки труби. Внаслідок того, що праворуч, впритул до форсунки, вставлена ​​діафрагма В, струмінь повітря при відкритій з двох сторін трубці рухається тільки ліворуч, описуючи гвинтову спіраль. Цю діафрагму слід відрегулювати таким чином, щоб деяка частина повітря виходила через неї направо. Це повітря віддає велику частину своєї кінетичної енергії у вигляді тепла повітрю, який рухається ліворуч вздовж стінки трубки; крім того, права частина повітря розріджується. В.результате цього вона виявляється значно холоднішою, ніж частина, поточна наліво. Таким способом при початковому тиску в 10 атм можна отримати температуру до - 40 ° С. Звичайно, коефіцієнт корисної дії такої установки дуже малий.

Б) Температура нижче нормальної точки кипіння рідкого повітря

Як охолоджувальної середовища в цій температурній області служать киплячі при атмосферному або більш низьких тисках зріджені гази: повітря, неон, водень, гелій. Проміжні температури між окремими областями можна отримувати, використовуючи адсорбційні кріостати. Однак можливість їх застосування дуже обмежена, так як їх потужність дуже мала. Температурний інтервал між рідким воднем і рідким гелієм може бути заповнений, крім того, за допомогою гелієвого ожіжітеля Симона. Однак потужність цього апарата невелика.

Термостати для зріджених газів в цих температурних областях необхідно міцно закривати, тому що в противному випадку при зниженні тиску ці гази зазвичай починають кипіти; крім того, при дуже низьких температурах на киплячих газах буде конденсуватися повітря. У той час, коли не ведеться відкачування. Звичайно, необхідно випускати газ, що утворюється в процесі випаровування. Вентилем, що відкривається тільки під тиском зсередини, може служити гумова трубка, прорізана в поздовжньому напрямку.

Схема охолодження по Хільшу

При конструюванні криостатов слід мати на увазі, що Теплота випаровування 1 л рідини становить при нормальних точках кипіння для

Звідси видно, що при роботі з рідким воднем і тим паче з рідким гелієм приплив тепла ззовні повинен бути зменшений якомога сильніше.

Нижче мова йтиме головним чином про кріостатах для рідкого гелію. Для рідкого водню застосовуються ті ж принципи, в той час як для рідкого повітря багато чого можна спростити.

Завжди застосовують дві посудини Дьюара: внутрішній, для. рідкого гелію, і зовнішній, заповнений рідким азотом. Так як через иенской або пірексовое скло гелій дифундує, то внутрішній посудина має бути виготовлений з інших сортів скла. Тепер все більше переходять до суцільнометалевим конструкціям. При їх правильному виготовленні витрата гелію виявляється приблизно «таким же, як у скляних посудинах. На рис. показаний такий посудину Дьюара, який легко самостійно виготовити в лабораторній майстерні. Зовнішня оболонка складається з латунної труби без швів діаметром 9,5 см, з товщиною стінок 1,5 мм, внутрішня оболонка - з аналогічною труби діаметром 8 см. Для зменшення теплопровідності від теплого кінця верхня частина внутрішньої труби виготовляється з листового нейзильберу товщиною 0,3 мм. Для з'єднання цієї труби з латунною їх спочатку приварюють в окремих точках, а потім міцно пропаивают. Фальцовані шви значно важче зробити вакуумно-щільними. Сторони трубок, звернені до вакуум розуму, облицьовуються алюмінієвою фольгою. В якості клею застосовується безбарвний лак, наприклад гліпталь. У нижній частині внутрішнього судини поміщена невелика коробка для абсорбції газу, заповнена вугіллям з кокосових горіхів. Всі з'єднання, за винятком дна, пропаяні твердим припоєм, платівка дна - м'яким. Посудина відкачується при кімнатній температурі до тиску Ю -3 мм рт. ст. через вентиль без сальника. Для контролю тиску служить маленький термоелектричний вакуумметр. Тим же прийомом, звичайно, можна без особливих зусиль зробити зовнішній посудину для рідкого азоту. Після ретельного охолодження внутрішнього судини до температури рідкого азоту потрібно ще близько 1, 5 л рідкого гелію для охолодження до 4 ° К і 2,25 л для заповнення кріостата. Якщо немає додаткового припливу тепла через вимірювальні прилади, а кришка омивається рідким азотом, то з кріостата за годину випаровується близько 0,3 л рідкого гелію.

Для визначення рівня рідини усередині судини з великим успіхом застосовують американські вугільні радіотехнічні опору. Бакелітовій оболонку цих опорів видаляють або шліфуванням на верстаті, або вручну, повільно обертаючи опір. Одноваттное опір, що має при кімнатній температурі величину 180 му, при 4 ° К в парах гелію зростає до 3600 му, а в рідкому гелії - до 4600 му. При більш низьких температурах опір ще більше. Не треба прагнути зменшити виділяється при вимірі джоулево тепло, так як зміна опору викликається зміною зовнішньої теплопровідності. Три таких опору зміцнюють у посудині на різній висоті: одне - на найнижчому рівні, при якому ще можна працювати, друге - па половинної висоті і третє - · в місці з'єднання внутрішньої труби з її тонкої частиною.

Підвідні дроти вводяться у внутрішню частину через фланець між двома гумовими кільцями. Застосовують емаліроіанний провід і невелика кількість вакуумної мастила.

Весь посудину Дьюара закривається металевою кришкою. Краще всього застосовувати кільцеподібний спай по бортику, який охоплює трубку. Борт легко запаюється і так само легко знову розпаювали, якщо його оточити ізольованою дротом, яка нагрівається струмом від понижуючого трансформатора. Про-текапіе припою не може мати місця. Якщо кришка залишається завжди теплою, то для пайки застосовують сплав Вуда, коли ж кришка охолоджується, то краще застосовувати індіевооловянний припой.

Необхідно, звичайно, стежити за тим, щоб всі інші деталі, які ведуть до вимірювальної апаратури, не проводили занадто багато тепла. Трубки застосовують тонкостінні і без швів, з погано проводять тепло матеріалів - нейзильберу або нержавіючої сталі. Особливо гарні трубки з кульгала, який, проте, як і нержавіюча сталь, піддається тільки твердою пайку. Можна застосовувати також скляні трубки, спаяні з металевими.

Вплив теплопровідності підвідних проводів можна значно зменшити. Для подачі напруги і проводів, в яких йде струм силою до 10 ма, слід застосовувати манганіновую дріт товщиною від 0,15 до 0,25 мм. При більш сильних токах црімевяют товстий дріт для сполук, що ведуть від деталей, що знаходяться при кімнатній температурі, до мідної шайбі, що знаходиться при температурі рідкого повітря; такі ж дроту йдуть від вимірювальної апаратури, що знаходиться в рідкому водні або рідкому гелії, майже до мідної шайби. Тільки на невеликій відстані від неї переходять до тонкої дроті з можливо більш чистої міді завдовжки від 5 до 10 см. Для її розрахунку можна користуватися наступною формулою

де Vi - V 0 - різниця потенціалів на дроті, Ti - верхня, a T u - нижня температура і л / к - відношення коефіцієнтів теплопровідності і електропровідності.

Струми силою до 200 б підводяться до вимірювальних приладів, що встановлені в рідкому водні, а в Інституті низьких температур Херршінгера струм до 50 а підводиться до вимірювальних приладів, що встановлені в рідкому гелії!

Залишковий опір мідного дроту, зазвичай наявного в продажу, становить приблизно 2% від опору при кімнатній температурі; на рис показаний хід кривих л, к і л / к. Якщо черев провід повинен протікати струм /, то опір-"ня цього проводу повинно бути рівним

Теплопровідність різних сплавів при низьких температурах

На рис. показаний спеціальну посудину Дьюара, призначений для оптичних вимірювань в магнітному полі. Для того щоб остудити його від кімнатної температури і ввести в нього 2,5 л гелію, потрібно близько 5 л рідкого гелію. У темряві гелій зберігається в криостате протягом 50 годин. При висвітленні досліджуваного зразка сильної вольфрамової лампою цей час може зменшитися до восьми годин. Вакуум підтримується маленьким масляним дифузійним насосом зі швидкістю відкачування 100 л / сек. Посудина з гелієм був настільки добре ізольований, що насос можна було вимикати більш ніж на 1 годину. При цьому вентиль між гелієвим посудиною і насосом закривався. Це дозволяє наповнювати посудину безпосередньо у ожіжітеля і переносити його для досліджень до магніту. Нові пенопластіческіе матеріали забезпечують чудову ізоляцію тел неправильної форми. Пенообразной маса легко обробляється ножем, пилкою або пробковий свердлом. Якщо перешкодити виникненню конвекційних струмів, то ця ізоляція достатня навіть для рідкого гелію. Щільність пеноматеріалов настільки мала, що вони плавають у рідкому гелії.

Тут не представляється можливим описати пристрій всього устаткування, необхідного для зріджування водню і гелію. Але деякі окремі моменти необхідно відзначити.

Спеціальний посудину Дьюара для вимірювань в магнітному полі

Залежно від пружності парів масла, що застосовується в компресорі, навіть при дуже гарній пастці для масла деяку кількість масляних парів може проникати під зустрічні потоки і виморожується. Це призводить до двох неприємних наслідків: по-перше, до зменшення коефіцієнта теплопередачі, а отже, і к. п. буд протитоку і, по-друге, до можливості засмічення трубопроводів. Цей недолік усувають, перш за все застосовуючи масла. з низькою пружністю пари. Тому у всій установці необхідно застосовувати масло ^ володіє великою в'язкістю і низькою пружністю пари; такій вимозі задовольняють тільки спеціальні сорти масел. Далі, перший трубопровід доцільно сконструювати так, щоб масло, осідають в ньому за час, протягом якого воно ще не встигає перейти в рідину, збиралося в спеціальному «кишені», звідки його періодично можна було б спускати. К. Клузіуса запропонував встановлювати перед ожіжітелем посудину з адсорбуючим вугіллям. Навіть при невисокій температурі останній адсорбує більшу частину пари масла.

Водень, службовець для зрідження, повинен бути дуже чистим, інакше з'єднувальні трубки і вентиль швидко будуть засмічені твердим повітрям. Оскільки велика частина рідкого водню при атом процесі втрачається, то необхідно періодично або купувати нові порції дуже чистого водню, це, однак, важко, або ретельно очищати звичайний водень, наявний у продажу. К. Клузіуса запропонував наступне пристрій, що дозволяє застосовувати звичайний водень: до ожіжітелю паралельно стандартним трубкам високого тиску проводять систему трубок через такі ж протівоточнікі, охолоджувачі і т.п.; в цю систему в процесі циркуляції Будуть водню додатково вводиться зі сталевої бомби деяку кількість водню . У кінцевому рахунку ця частина проходить через конденсатор, що охолоджується воднем, що надходять з розширювального вентиля, з'єднується з цим воднем і тече назад в бік низького тиску. У цьому випадку невелика кількість чистого водню потрібно тільки при пуску установки.

В Інституті Херршінгера спроектована установка, яка дозволяє збільшувати приблизно на 30% продуктивність невеликого апарату для зрідження повітря: більша частина повітря в апараті не Будуть, а знову підводиться протитечією до компресора, так що останній при стаціонарній роботі засмоктує з атмосфери тільки Будуть частку повітря. Компресор може засмоктувати повітря не з атмосфери, а з резервуара, що знаходиться під тиском; якщо скористатися невеликим компресором, то в цих 9,6% повітря можна створити надмірний тиск до 0,3 атм; в цьому випадку загальна продуктивність компресора, а отже, і Будуть частина збільшуються у відношенні 1:1,3.

В) Вимірювання низьких температур

Для вимірювання температур до - 200 ° G придатний пентанової термометр. Щоб рідина в його трубці не загусла, в досліджувану середовище слід спочатку занурювати тільки кулька термометра, а потім вже й люльку. До температури рідкого повітря можна користуватися термопарами. Замість мідно-константанові термопари краще взяти манганін-константанові, так як велика теплопровідність міді може призвести до неточності вимірювань. Дріт попередньо випробовують на однорідність. Для цього беруть шматок дроту, простягають його через рідке повітря і за допомогою гальванометра спостерігають з'являється на її кінцях термоелектрорушійної силу. Для інтервалів температур між рідким повітрям і рідким воднем і між рідким воднем і рідким гелієм застосовується газовий термометр постійного об'єму. Ha рис. показаний схематично простий газовий термометр постійного об'єму. Резервуар термометра T за допомогою капіляра До з'єднується з манометром М, які мають шкалу тисків від 0 до 1 атм. Термометр наповнюється при кімнатній температурі воднем або гелієм під тиском 1 атм і легко може бути переписати в - ° К.

Американські вугільні опору, які застосовуються як покажчиків рівня рідини, можуть чудово служити і як термометрів. У цьому випадку, однак, треба звертати увагу на те, щоб кількість джоулева тепла, що виділяється в процесі вимірювання, була дуже малою. Як було зазначено вище, видаляють бакелітовій ізолюючий шар опір і їх вклеюють за допомогою лаку в мідну трубочку. Вони не повинні безпосередньо стикатися з гелієм, тому що адсорбують його і при цьому змінюється характеристика опору.

Термометр градуюють шляхом порівняння з показаннями газових термометрів.

Дуже точні вимірювання температур можна зробити за допомогою термометра, в якому температура наміряти по тиску пари. Для більшості випадків цілком задовільною виявляється проста конструкція, схематично зображена на рис. Резервуар термометра T з'єднується з одним коліном ртутного манометра Q, інше коліно якого за бажанням залишається відкритим або закривається після того, як з нього відкачають повітря. Унаслідок малого обсягу цього коліна навіть незначна кількість повітря, що проникає в нього чи що залишається в ньому після відкачування, може призвести до появи великих помилок у вимірах, тому тут слід застосовувати дуже надійний кран з похило розташованими отворами і порожнистої пробкою. Посудина V необхідний для того, щоб при охолодженні був достатній запас пара, так як в резервуарі термометра також відбувається невелика конденсація. Величину об'єму V підраховують залежно від газу в термометрі і вимірюваною температури. Внаслідок великого зовнішнього обсягу показання термометра кілька мляві, тому що в ньому повинні конденсуватися або випаровуватися великі кількості пари. Якщо цей дефект бажано усунути, то для манометра та підвідної трубки можна застосувати капіляри, які, однак, при низьких температурах необхідно наповнювати, а перед нагріванням знову відкачувати. Якщо хочуть полегшити працю по наповненню відміреною кількістю пари, то останній необхідно впускати повільно. Термометр вважається досить наповненим, якщо тиск у ньому зберігається незмінним після дворазового додаткового введення невеликої кількості пари.

У разі застосування закритих криостатов для найнижчих температур можна при повільній відкачці визначати температуру по пружності пари над рідиною, так як затримка кипіння чи тут буде відбуватися. Разом з тим, якщо тепле газ стискається, то температура в нижній частині посудини Дьюара, незважаючи на гарне перемішування, може опинитися на кілька градусів нижча, ніж температура на поверхні; у зв'язку з цим при необхідності підвищити температуру краще це робити за допомогою маленької нагрівальної спіралі , розташовуючи її в самій нижній частині посудини Дьюара. При роботах з рідким повітрям необхідно пам'ятати, що внаслідок зміни його складу немає однозначної залежності між тиском пари і температурою. З цієї причини необхідно застосовувати закриті кисневі термометри.

Г) Посудини Дьюара, сифони і вентилі з вакуумною сорочкою

Кращими судинами для рідкого повітря можуть служити термоси з загартованого скла, наявні в будь-якому господарському магазині. Великі посудини для транспортування рідких газів виготовляються з металу. За бажанням їх можна зсередини посріблити, завдяки чому втрати на випаровування значно зменшуються.

Посудини для транспортування гелію виготовляються здійснений але так само, як дьюаровскіе судини для магнітних досліджень. Тільки тонкостінна трубка на верхньому кінці робиться істотно довше. Завдяки цьому летких гелій перешкоджає притоку тепла через стінки трубки. У посудині ємністю 15 л за добу випаровується близько 0,25 л рідкого гелію!

Дуже бажано точно знати рівні рідини до і після виливання частини рідкого гелію. Цій меті служить тонкостінна трубка діаметром 1 мм з нейзильберу, що має розтруб па кінці, закритий гумовою мембраною. Якщо трубка знаходиться в газі, то дуже легко виникають низькочастотні акустичні коливання, наявність яких легко відчути безпосередньо пальцями. Якщо цю трубку повільно опускати вертикально, то коливання припиняються в момент зіткнення трубки з поверхнею рідини. Цей спосіб дозволяє легко визначити рівень рідини з точністю ± 1 мм. Метод застосовний і до рідкого водню, але непридатний до рідкого повітрю.

Невелике тиск, необхідний для переливання сифоном рідкого гелію, краще за все отримати легким натисканням рукою на невелику грушу.

Д) Автоматичне регулювання температури

Температура в кріостатах підтримується постійної за допомогою регулювання струму через опір, що знаходиться на дні судини. У цей час регулювання струму майже у всіх випадках здійснюється автоматично. Радіотехнічне вугільне опір в рідкому гелії включається в одне з плечей містка Уїтстона, що живиться змінним струмом. Вихідна напруга містка посилюється, випрямляється фазовим детектором і підводиться до невеликого підсилювача потужності, а від нього - до нагрівача. Місток регулюється так, що при досягненні бажаної температури на його виході виникає маленький сигнал потрібної фази, що викликає відповідний струм в ланцюзі нагріву. Вентиль, що веде до насосу, встановлюється таким чином, що в нагрівачі розвивається необхідна потужність. При зменшенні температури потужність нагрівача зростає, при збільшенні температури потужність нагрівача падає. Якщо температура збільшується настільки сильно, що сигнал на виході мосту має зворотну фазу, то фазовий детектор перешкоджає проходженню цього сигналу до підсилювача потужності. Забезпечення протягом години сталості температури гелієвої ванни з точністю 0,001 ° До не викликає труднощів. Замість вугільних опорів можна застосовувати також напівпровідникові. При більш високих температурах рідкого азоту застосовують термістори.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
61.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Низькі істини про такого, що принижує обмані
Мікроконтроллерний регулятор температури
Стабілізізація температури повітря в теплицях
Дія низької температури на рослини
Вплив температури на життєві процеси
Прогнозування критичної температури Алкани та алкени
Контроль і регулювання температури на стадії пастеризації
Загальні відомості про вимірювання температури
Вплив температури на швидкість хімічної реакції
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru