Înțelegerea conceptului de criogenie

Criogenica este definită ca studiul științific al materialelor și comportamentul acestora la temperaturi extrem de scăzute. Cuvântul provine din greacă Cryo, ceea ce înseamnă „frig” și genic, ceea ce înseamnă „a produce”. Termenul este întâlnit, de obicei, în contextul fizicii, științei materialelor și medicinei. Un om de știință care studiază criogenia se numește a cryogenicist. Un material criogenic poate fi denumit a criogen. Deși temperaturile reci pot fi raportate folosind orice scară de temperatură, scale Kelvin și Rankine sunt cele mai frecvente deoarece sunt scale absolute care au un număr pozitiv.

Exact cât de rece trebuie să fie considerată „criogenă” o substanță este o problemă a unei dezbateri a comunității științifice. Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) consideră că criogenele includ temperaturi sub -180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), care este o temperatură peste care sunt frigorificele obișnuite (de exemplu, hidrogen sulfurat, freon). sub care "gaze permanente" (de exemplu, aer, azot, oxigen, neon, hidrogen, heliu) sunt lichide. Există, de asemenea, un câmp de studiu numit "criogenic la temperatură ridicată", care implică temperaturi peste punctul de fierbere al azotului lichid la presiune obișnuită (−195,79 ° C (77,36 K; −320,42 ° F), până la -50 ° C (223,15 K; −58,00 ° F).

Măsurarea temperaturii criogenelor necesită senzori speciali. Detectoarele de temperatură de rezistență (RTD) sunt utilizate pentru a lua măsurători de temperatură până la 30 K. Sub 30 K, sunt adesea utilizate diode de siliciu. Detectoarele de particule criogenice sunt senzori care funcționează cu câteva grade peste zero absolut și sunt folosiți pentru a detecta fotoni și particule elementare.

Lichidele criogenice sunt de obicei stocate în dispozitivele numite baloane Dewar. Acestea sunt containere cu pereți dubli care au un vid între pereți pentru izolare. Flacoanele de canalizare destinate utilizării cu lichide extrem de reci (de exemplu, heliu lichid) au un recipient izolant suplimentar umplut cu azot lichid. Flacoanele de canalizare sunt numite pentru inventatorul lor, James Dewar. Flacoanele permit gazului să scape de container pentru a preveni fierberea presiunii care ar putea duce la o explozie.

Lichide criogenice

Următoarele fluide sunt utilizate cel mai adesea în criogenie:

Fluid	Punctul de fierbere (K)
Heliu-3	3,19
Heliu-4	4.214
Hidrogen	20.27
Neon	27.09
Azot	77.36
Aer	78.8
Fluor	85.24
argon	87.24
Oxigen	90.18
Metan	111.7

Utilizările criogenicelor

Există mai multe aplicații de criogenie. Este folosit pentru a produce combustibili criogenici pentru rachete, inclusiv hidrogen lichid și oxigen lichid (LOX). Câmpurile electromagnetice puternice necesare pentru rezonanța magnetică nucleară (RMN) sunt, de obicei, produse de electromagnetii supracoloșiți cu criogeni. Imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) este o aplicație a RMN care utilizează heliu lichid. Camerele infraroșii necesită frecvent răcire criogenică. Congelarea criogenă a alimentelor este utilizată pentru transportul sau depozitarea unor cantități mari de alimente. Azotul lichid este folosit pentru a produce ceață pentru efecte speciale și chiar cocktail-uri și mâncare speciale. Materialele de congelare care utilizează criogeni le pot face suficient de fragile pentru a fi rupte în bucăți mici pentru reciclare. Temperaturile criogenice sunt utilizate pentru depozitarea eșantioanelor de țesut și sânge și pentru păstrarea probelor experimentale. Răcirea criogenică a superconductorilor poate fi utilizată pentru a crește transmisia de energie electrică pentru orașele mari. Prelucrarea criogenă este utilizată ca parte a unor tratamente din aliaj și pentru a facilita reacțiile chimice la temperatură scăzută (de exemplu, pentru a face medicamente cu statină). Criomilarea se folosește la măcinarea materialelor care pot fi prea moi sau elastice pentru a fi măcinate la temperaturi obișnuite. Răcirea moleculelor (până la sute de nano Kelvins) poate fi utilizată pentru a forma stări exotice ale materiei. Laboratorul Atomului rece (CAL) este un instrument conceput pentru utilizare în microgravitate pentru a forma condensate de Bose Einstein (în jur de 1 pic temperatura Kelvin) și a testa legile mecanicii cuantice și a altor principii de fizică..

Discipline criogenice

Criogenica este un domeniu larg care cuprinde mai multe discipline, printre care:

Criogenia - Cryonics este crioprezervarea animalelor și a oamenilor cu scopul de a le reînvia în viitor.

Criochirurgia - Aceasta este o ramură a intervenției chirurgicale în care temperaturile criogene sunt folosite pentru a ucide țesuturile nedorite sau maligne, cum ar fi celulele canceroase sau alunițele.

Cryoelectronics - Acesta este studiul superconductivității, a saltului cu variație variabilă și a altor fenomene electronice la temperatură scăzută. Se numește aplicația practică a crioelectronicii cryotronics.

criobiologie - Acesta este studiul efectelor temperaturilor scăzute asupra organismelor, inclusiv conservarea organismelor, a țesuturilor și a materialului genetic folosind crioconservare.

Fapt distractiv criogenic

În timp ce criogenicele implică, de obicei, temperatura sub punctul de îngheț al azotului lichid, dar peste nivelul zero absolut, cercetătorii au obținut temperaturi sub zero absolut (așa-numitele temperaturi Kelvin negative). În 2013, Ulrich Schneider de la Universitatea din München (Germania) a răcit gaz sub zero absolut, ceea ce se presupune că a făcut mai cald în loc de a fi mai rece!

surse

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Temperatura absolută negativă pentru grade motoriale de libertate". Ştiinţă 339, 52-55.
• Gantz, Carroll (2015). Refrigerare: o istorie. Jefferson, Carolina de Nord: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
•  Nash, J. M. (1991) "Dispozitive de extindere a vortexului pentru criogenie la temperatură ridicată". Proc. a celei de-a 26-a Conferințe de inginerie a conversiilor energetice între intersecții, Voi. 4, p. 521-525.