了解低温的概念

小编：优质农业网人气：0℃ 发布时间：2025-03-12 16:54:18

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低温学被定义为对材料及其在极低温度下的行为的科学研究。这个词来自希腊语cryo，意思是“冷”，而genic，意思是“生产”。该术语通常在物理学、材料科学和医学的背景下遇到。研究低温学的科学家被称为低温学家。低温材料可以被称为冷冻剂。尽管可以使用任何温度标度报告低温，但开尔文和兰金标度是最常见的，因为它们是具有正数的绝对标度。

了解低温的概念

一种物质究竟有多冷才能被认为是“低温”是科学界争论的问题。美国国家标准与技术研究院 (NIST) 认为低温包括低于 -180 °C（93.15 K；-292.00 °F）的温度，在该温度之上，普通制冷剂（例如硫化氢、氟利昂）为气体和在此之下，“永久气体”（例如，空气、氮气、氧气、氖气、氢气、氦气）是液体。还有一个研究领域叫做“高温低温”，它涉及的温度高于液氮在常压下的沸点（-195.79 °C（77.36 K；-320.42 °F），最高可达-50 °C（223.15 K；-58.00°F）。

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测量冷冻剂的温度需要特殊的传感器。电阻温度检测器 (RTD) 用于测量低至 30 K 的温度。低于 30 K，通常使用硅二极管。低温粒子探测器是在绝对零以上几度运行的传感器，用于探测光子和基本粒子。

低温液体通常储存在称为杜瓦瓶的装置中。这些是双壁容器，在壁之间具有真空以进行绝缘。用于极冷液体（例如液氦）的杜瓦瓶有一个额外的绝缘容器，里面装满了液氮。杜瓦瓶以其发明者詹姆斯杜瓦命名。烧瓶允许气体从容器中逸出，以防止压力积聚沸腾而导致爆炸。

低温流体

以下流体最常用于低温：

体液沸点 (K)

氦33.19

氦44.214

氢20.27

氖27.09

氮77.36

空气78.8

氟85.24

氩气87.24

氧90.18

甲烷111.7

低温技术的用途

低温技术有多种应用。它用于生产用于火箭的低温燃料，包括液氢和液氧 (LOX)。核磁共振 (NMR) 所需的强电磁场通常由带有致冷剂的过冷电磁体产生。磁共振成像 (MRI) 是 NMR 的一种应用，它使用液氦。红外相机经常需要低温冷却。食物的低温冷冻用于运输或储存大量食物。液氮用于产生特殊效果的雾甚至是特色鸡尾酒和食物。使用冷冻剂冷冻材料会使它们变得足够脆，可以破碎成小块进行回收。低温用于储存组织和血液样本以及保存实验样本。超导体的低温冷却可用于增加大城市的电力传输。低温处理被用作某些合金处理的一部分并促进低温化学反应（例如，制造他汀类药物）。低温研磨用于研磨可能太软或太弹性而无法在常温下研磨的材料。分子的冷却（低至数百纳米开尔文）可用于形成奇异的物质状态。冷原子实验室 (CAL) 是一种设计用于在微重力环境中形成玻色爱因斯坦凝聚体（约 1 皮开尔文温度）和测试量子力学定律和其他物理原理的仪器。

低温学科

低温学是一个广泛的领域，包含多个学科，包括：

人体冷冻法 - 人体冷冻法是动物和人类的冷冻保存，目的是在未来使它们复活。

冷冻手术 - 这是手术的一个分支，其中低温用于杀死不需要的或恶性组织，例如癌细胞或痣。

Cryoelectronic s - 这是对低温下超导、可变范围跳跃和其他电子现象的研究。低温电子学的实际应用称为低温电子学。

低温生物学- 这是对低温对生物体影响的研究，包括使用低温保存来保存生物体、组织和遗传物质。

低温有趣的事实

虽然低温通常涉及低于液氮冰点但高于绝对零的温度，但研究人员已经实现了低于绝对零的温度（所谓的负开尔文温度）。2013 年，慕尼黑大学（德国）的 Ulrich Schneider 将气体冷却到绝对零以下，据报道这使它变得更热而不是更冷！

来源

Braun, S., Ronzheimer, JP, Schreiber, M., Hodgman, SS, Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013)“运动自由度的负绝对温度”。科学 339，52-55。

甘茨，卡罗尔（2015）。制冷：历史。北卡罗来纳州杰斐逊：McFarland & Company, Inc. p. 227. 国际标准书号 978-0-7864-7687-9。

Nash, JM (1991) “用于高温低温的涡流膨胀装置”。过程。第 26 届跨社会能量转换工程会议，卷。4，第 521-525 页。