eksperimentalne metode moderne fizike
Download
Skip this Video
Download Presentation
Eksperimentalne metode moderne fizike

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 17

Eksperimentalne metode moderne fizike - PowerPoint PPT Presentation


  • 119 Views
  • Uploaded on

Eksperimentalne metode moderne fizike. Niskotemperaturne tehnike –kriogenika. Dr. sc. Nikola Godinovic ([email protected]). Sadržaj. Zašto nam trebaju niske temperature Kako postižemo niske temperature Tekući dušik Tekući He-4 Tekući He-3 Vodik Zrak Tipovi kriostata

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Eksperimentalne metode moderne fizike' - bijan


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
eksperimentalne metode moderne fizike

Eksperimentalne metode moderne fizike

Niskotemperaturne tehnike –kriogenika

Dr. sc. Nikola Godinovic

([email protected])

sadr aj
Sadržaj
  • Zašto nam trebaju niske temperature
  • Kako postižemo niske temperature
    • Tekući dušik
    • Tekući He-4
    • Tekući He-3
    • Vodik
    • Zrak
  • Tipovi kriostata
  • Kako mjerimo temperaturu
primjena niskih temperatura
Primjena niskih temperatura
  • Niske temperature se primjenjuju u istraživanja i tehnici/tehnologiji.
  • Na niskim temperaturama kvantno-mehaničke pojave se manifestiraju na makroskopskoj skali
    • Supravodljivost
    • ključni su dijelovi eksperimenata: akceleratori, nuklearna fuzija, polarizacija meta, ….
  • Hlađenje eksperimentalne aparature se u načelu postiže pomoću ukapljenih plinova (tekući dušik, helij, vodika, …)
metoda hla enja
Metoda hlađenja
  • 1904 Kamerling Onnes ukapljio helij i postigao temperaturu od 1 K.
  • Onnes tehnika hlađenja zasniva se na smanjenju tlaka plina što uzrokuje hlađenje plina, a što slijedi iz prvog zakona termodinamike za adijabatski proces:
  • Plin se nalazi u nekom volumenu V na tlaku većem od atmosferskog tlaka a se volumen otvori plin se ekspandira i vrši rad na okolini a kako nema izmjene topline sokolinom (adijabtski proces dQ=0) unutrašnje energija se smanji za iznos izvršenog mehaničkog rada.
  • dU<0, dW>0, unutrašnja energija proporcionalna temepraturi plina
tipi ni fazni dijagram
Tipični fazni dijagram
  • Fazni dijagrami (T-Q, p-T, P-V) prikazuju kako se mijenjaju svojstva tvari pri promjeni tlaka i temperature
  • Tipičan p-T fazni dijagram

Ovaj fazni dijagram prikazuje područja koja odgovaraju svakoj od tri uobičajene faze materije. Primijetite da su sve tri faze u ravnoteži u trojnoj točki (triple point). Pored toga, primijetite da su tekuća i plinovita faza iznad kritične točke (critical point) ne razlikuju i jednim imenom nazivaju fluid.

p

FLUID

T>Tc

tvar postoji samo u plinovitom stanju

Tc- najveća temperatura kad se plin još može pretvoriti u tekućinu

krivulja taljenja

Kruto

Kritična točka

Tekuće

krivulja isparavanja

Plinovito

trojna točka

krivulja sublimacije

T

Temperature ukapljenih plinova su u području od kritične do temperature trojne točke

fazni dijagram za vodu

Tc=647

za vodu:

p=910 Pa, T=0,01 oC=273,16 K

Fazni dijagram za vodu
fazni dijagrami usporedba
Fazni dijagrami - Usporedba

Fazni p-T dijagrami za vodu i CO2

Kod većine tvari povećanjem tlaka na stalnoj temperaturi tekućina se pretvara u čvrsto stanje (slika b). Međutim, kod vode je obratno, povećanjem tlaka pri stalnoj temperaturi led se topi i pretvara u tekuće stanje (slika a).

voda

pode avanje temeprature
Podešavanje temeprature
  • Aparatura koja se hladi nalazi se u hladnoj kupki nekog kriogenskog fluida.
  • Temperature kupke se može podešavati tlakom para, tako se da plan para plina iznad tekućine snižava pumpanjem vakuumskom pumpom.
svojstva nekih ukapljenijh plinova
Svojstva nekih ukapljenijh plinova

BP - točka vrenja

CP - kritična točka

TP - trojna točka

teku i du ik
Tekući dušik
  • Dušikje najčešći i najdostupniji kriogenski plin/fluid.
  • Jeftin i siguran način hlađenja do 77 K.
  • Temperature do 55 K se mogu dobiti ispumpavanjem para ukapljenog dušika.
  • Ispod trojne točke dušik prelazi u krutninu i tada nastupa problem toplinskog kontakta između apartaute koja se hladi i krutog dušika.
  • Tekući dušik se prozvodi tako da se prvo ukaplji zrak (79 % dušika u zraku) a zatim ga se separira.
  • Koristi se i u kriostatima helija
teku i helij 4
Tekući Helij-4
  • Za postizanje temperatura ispod temperature tekućeg dušika ukapljeni He-4 se najčešće koristi.
  • Pomoću He-4 postižu se temperature do 1 K.
  • Mogu se postići i niže temperature ali je potrebno sniziti tlak vrlo nisko što je prilično nepraktično
  • Prolme je He-4 i He-3 što imaju jako niske latentne topline isparavanja, tako tekući He-4 uspije ohladiti do 4,2 K.
teku i helij 3
Tekući Helij - 3
  • He-3 imaju najnižu poznatu točku vrenja 3,2 K.
  • He-3 u prirodi je vrlo rijedak: helij koji se nalazi u prirodi sadrži 10-6 He-3.
  • Proizvodi se umjetno kao produkt radioaktivnog raspada tricija:
  • Vrlo se skup i korsiti se samo kad je apsolutno nužno i to samo u zatvorenom eksperimentu tako da se ne gubi.
  • Pomoću He-3 postižu se temperature od 3 mK.
teku i vodik
Tekući vodik
  • Tekući vodik je jeftin jer se proizvodi iz plina kojeg nalazimo u prirodu.
  • Relativno je komercijalno dostupan jer se koristi za raketno gorivo.
  • Koristi se u kriogenici jer pokriva temperaturno područje između tekućeg helija i i tekućeg dušika.
  • Ima veliku toplinu isparavanja usprkos maloj gustoći.
  • Glavni nedostatak: lako zapaljiv i treba biti jako pažljiv u rukovanju s tekućim vodikom ( paziti na električne kontakte – moguća iskrišta da ne bi došlo do eksplozije)
teku i zrak
Tekući zrak
  • Zrak ~ 20 kisika i 80 dušika, temperatura mu je između temperature tekućeg dušika i tekućeg kisika (81 K).
  • Točna temperatura je određena omjerom dušika i kisika. Kako dušik ima nižu točku vrenja, javlja se isparavanje dušika, te temperatura raste sa starošću tekućine. Očito se ne može koristiti tamo gdje je potrebno održavati stalnu temperaturu.
  • Kako raste prisustvo kisika u tekućem zraku, tekućina postaje zapaljiva, nije toliko opasno kao kod tekućeg vodika ali svejedno potrebo je pažljivo rukovanje.
toplinska izolacija
Toplinska izolacija
  • Toplina se prenosi vođenjem, radijacijom i konvekcijom.
  • Vođenje sprečavamo stavljanjem tankih, mehanički izdržljivih slojeva toplinskog izolatora nrp. teflona.
  • Radijacija se sprečava visokoreflektivnim površinama, npr. inoks.
  • Konvekcija se sprječava vakuumom.
uskladi tenej i transport kapljevine
Uskladištenej i transport kapljevine
  • Za skladištenje kapljevina koristi se Dewar-ova posuda. Između dva sloja je vakuum i visokoreflektna površina.
  • Transport kapljevina između posuda obavlja se pomoću linija s dvostrukim stjenkama između kojih je vakuum.
mjerenje temperature
Mjerenje temperature
  • Nema mjernog instrumenta koji se može koristiti za sva temperaturna područja.
  • U području od 90 do 4 K mogu se koristiti plinski termometri.
  • Idealni plin dovodimo uz konstantan volumen u dodir s objektom kojemu želimo izmjerit temperaturu. Mjerenjem tlaka uz poznati volumen lako nalazimo temperaturu.
  • Ovisnost otpora o temperaturi je efekt koji se jako često koristi za mjerenje temperature. Obični otpornici mijnejaju otpor za više redova veličine u temperaturnom intervalu od 0,1 K do 1 K.
ad