Eksperimentalne metode moderne fizike
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 17

Eksperimentalne metode moderne fizike PowerPoint PPT Presentation


  • 52 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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

Download Presentation

Eksperimentalne metode moderne fizike

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.


  • Login