Нискотемпературна физика

Текући душик.

Апсолутна нула износи −273,15 °Ц или 0 К.

Супрафлуидни хелиј који се налази у горњој посуди ће помало истицати из ње, кап по кап, све док се не испразни.

Магнет који лебди изнад суправодича због Меисснеровог учинка (Wалтхер Меисснер).

Вентил за ниске температуре.

Данас се од плинова највише укапљује зрак, из којега се фракцијском дестилацијом издваја кисик за металну и кемијску индустрију, душик, који се у капљевитом стању користи за постизање ниских температура, те племенити плинови, прије свега аргон.

Нискотемпературна физика или криофизика (грч. ϰρύος: студен, мраз + физика) је грана физике која се бави проучавањем твари и појава на ниским температурама, обично нижима од 77,3 К или -195,79 °Ц (врелиште душика), а највише се бави супрафлуидношћу и суправодљивошћу. Развија се откако је Хеике Камерлингх Оннес успио укапљити хелиј (1908.). У Институту за физику Свеучилишта у Загребу нискотемпературна својства чврстих твари истражују се од 1964. На Физичком одсјеку Природословно-математичког факултета у Загребу, кориштењем ³Хе криостата (од 2003.) могу се остварити покуси до температура од 250 мК. Атомске паре могу се ласерским методама охладити на још ниже температуре.

Повијест

Суправодљивост је 1911. открио Хеике Камерлингх Оннес док је проучавао овисност електричнога отпора живе о температури. Примијетио је да на температурама нижима од 4.2 К (-269 °Ц) електрични отпор пада на немјерљиво малу вриједност. Због суправодљивости ће, на примјер, у оловном прстену уроњеном у укапљени хелиј, истосмјерна електрична струја наставити тећи и годинама након што се извор струје искључи. Wалтхер Меисснер је 1933. открио да се метали охлађени до суправодљивога стања понашају као савршени дијамагнети, тј. у танком површинском слоју индуцирају се струје које стварају такво магнетно поље које поништава вањско поље, те је у унутрашњости суправодича магнетно поље једнако нули. Ако се на примјер на материјал који може бити суправодљив на температурама вишима од 100 К постави лагани магнет и ако се материјал полије укапљеним душиком, магнет ће се подићи изнад њега и лебдјети.

Суправодљиво стање одређују три чимбеника својствена свакој твари: критична температура, критична магнетска индукција и критична густоћа електричне струје. Ако је само један од тих трију чимбеника већи од критичне вриједности, твар не може бити у суправодљивом стању. Суправодичи се могу подијелити на:

• суправодиче прве врсте, који су били први откривени и углавном су чисти кемијски елементи, а који нагло прелазе у суправодљиво стање и магнетско поље не продире у њихову унутрашњост, и
• суправодиче друге врсте, који су нађени послије, углавном су кемијски спојеви и слитине, поступно прелазе у суправодљиво стање, а у дјеломично суправодљивом стању у њима се обликују магнетски вртлози.

Апсолутна нула

Апсолутна нула температуре је температура на којој термодинамички сустав има најмању енергију. Изражена термодинамичком температуром апсолутна нула температуре износи нула келвина (0 К), а Целзијевом температуром –273,15 °Ц. Појам произлази из Цхарлесова закона овисности тлака плина о температури уз стални обујам (плински закони). Резултати тих мјерења приказани у т,п-координатном суставу (на апсцису се наноси температура т, а на ординату тлак п) леже на правцу. Тај правац сијече апсцису на температури од – 273,15 °Ц па би уз претпоставку да исти закон вриједи и за врло ниске температуре тлак плина на температури од – 273,15 °Ц био једнак нули. За још ниже температуре продуљивањем тог правца добио би се негативни тлак, што није могуће. Тиме се дошло до закључка да температура нижа од – 273,15 °Ц није могућа.

Цхарлесов закон заправо је само приближан и не вриједи за ниске температуре јер снижавањем температуре долази до кондензације плина у текућину, али је исправно предвиђање апсолутне нуле изведено из тог закона. На апсолутној нули температуре у тијелу не би потпуно престала сва молекулска гибања (кинетичка теорија плинова), него само она која би се могла преносити у облику топлине на друга тијела. Закони квантне физике не допуштају молекулама твари да потпуно мирују, него се оне на тој температури статистички распоређују по стањима најмањих брзина, па се точна вриједност апсолутне нуле температуре одређује као температура на којој је енергија тијела најмања.

Супратекућина

Супратекућина или супрафлуидност је назив за агрегатно стање које настаје у неким укапљеним плиновима на врло ниским температурама (2,17 К за хелијев изотоп ⁴Хе), а својствени су му нестанак вискозности и бесконачно велика топлинска водљивост. Поред тога приближавањем температури пријелаза (тзв. ламбда точка) специфични топлински капацитет такођер тежи к бесконачно великој вриједности.

Супрафлуидност је стање укапљенога хелија које се очитује гибањем текућине без трења на екстремно ниској температури уз очувана адхезијска својства. Открио ју је 1937. Пјотр Леонидович Капица, а неовисно о њему открили су је исте године Доналд Мисенер и Јохн Франк Аллен проучавајући појаве до којих долази када се хелиј охлади на температуру нижу од 2,17 К. Ако се у супрафлуидни хелиј дјеломично урони празна посуда, по њезиним ће се стијенкама у танком слоју (до 30 нм) хелиј пењати и спуштати у посуду све док се разина хелија у посуди не изједначи с разином околнога хелија; ако се капиларна цјевчица једним крајем урони у супрафлуидни хелиј и освијетли, на њезину ће горњем крају истјецати хелиј попут водоскока висока до 10 центиметара (такозвани учинак водоскока). Данска физичарка Лена Хау успјела је 1999. у супрафлуиду успорити свјетлост до брзине 17 м/с, а 2001. успјела ју је зауставити.

Суправодљивост

Суправодљивост је стање појединих твари које се на ниским температурама очитује у нестанку њихова електричнога отпора, проласку електричне струје кроз танку изолаторску баријеру унутар њих без електричнога отпора (Јосепхсонов учинак - Бриан Јосепхсон) и лебдењу магнета изнад њихове површине (Меисснеров учинак - Wалтхер Меисснер). Суправодljивост је квантномеханичка појава и не може се објаснити класичном физиком. Типично настаје у неким материјалима на јако ниским температурама (нижим од -200 °Ц).

БЦС-теорија

БЦС-теорија или Бардеен-Цоопер-Сцхриефферова теорија је прва микроскопска теорија суправодљивости (1957.). Полази од претпоставке да на врло ниским температурама у кристалној решетки суправодича привлачно међудјеловање електрон–решетка–електрон надјачава одбојну електричну силу међу електронима, тј. да електрони при проласку кроз решетку привлаче њезине ионе, што резултира повећањем густоће позитивног набоја у том подручју и, док се решетка не врати у равнотежно стање, привлачи друге електроне. У таквим увјетима електрони којима су спинови и количине гибање супротни гибају се у паровима (Цооперови парови), а сваки пар електрона на међусобној удаљености од приближно 100 нм гиба се кроз кристалну решетку без губитка енергије и може тунелирати кроз изолаторску баријеру. Порастом температуре атоми решетке све јаче титрају, изнад критичне температуре раздвајају електронске парове, електрони се више не могу гибати без губитака и појављује се електрични отпор. За развој БЦС-теорије Јохн Бардеен, Леон Неил Цоопер и Јохн Роберт Сцхриеффер добили су Нобелову награду за физику 1972.

Укапљивање плинова

Укапљивање плинова или ликвефакција је превођење плинова у капљевито (текуће) агрегатно стање. Проводи се понајвише ради лакшега пријевоза и складиштења плинова, те за постизање ниских температура. Плинови се могу укапљити хлађењем, компресијом или комбинацијом тих поступака. Притом значајну улогу имају критични тлак и критична температура, својствени свакому плину посебно. Укапљивање само компресијом при сталној температури успијева ако је та температура нижа од критичне, а само хлађењем при сталном тлаку ако је тлак нижи од критичнога. Тако ће зрак при сталном атмосферском тлаку пријећи из плиновитог у капљевито агрегатно стање када га се охлади на –194 °Ц. Слично тому долази до укапљивања зрака његовим тлачењем на довољно висок тлак при сталној температури нижој од критичне (на примјер при –150 °Ц за укапљивање зрака потребан је тлак од приближно 20 бара). За зрак је, због његове ниске критичне температуре, такав поступак непрактичан, али је прикладан на примјер за угљиков диоксид, који постаје капљевит примјеном тлака од 57,4 бара, при температури од 20 °Ц.

Пионирске радове на укапљивању плинова ниске критичне температуре извели су 1877. готово истодобно француски физичар Лоуис Паул Цаиллетет (1832. – 1913.) и швицарски физичар Раоул Пицтет (1846–1929), постигавши појаву магле кисика у лабораторијским увјетима. Тиме су доказали да је кисик плин који се може довести у капљевито и чврсто стање. Прво укапљивање зрака успјело је 1883. пољским физичарима Зyгмунту Wрóблеwскому (1845. – 1888.) и Каролу Олсзеwскому (1846. – 1915.) примјеном троступањскога расхладнога строја. Тадашње стање расхладне технике није допуштало упорабу таквих каскадних расхладних уређаја за индустријску примјену, али се они данас примјењују равноправно с осталим суставима укапљивања плинова.

Први индустријски уређај за укапљивање плинова, понајприје зрака, патентирао је 1895. Царл вон Линде. Уређај је заснован на Јоуле-Тхомсонову учинку, према којему плинови приликом смањења тлака (пригушивања) мијењају температуру: изнад такозване инверзне температуре они се загријавају, а испод ње се хладе. Једноступањски Линдеов уређај извана је добро изолиран протусмјерни измјењивач топлине (рекуператор), а чини га цијев у цијеви. Кроз средишњу цијев струји врло стлачен плин (око 200 бара), који се на излазу пригушује на атмосферски тлак. Притом се на примјер зрак хлади за 0,25 °Ц/бар, па се при пригушењу с 200 на 1 бар охлади за приближно 50 °Ц. Дио тако охлађена плина враћа се кроз вањску цијев рекуператора, хладећи у протуструји новонадолазећи стлачени плин. Плин након вишекратнога пригушивања поприма температуру која је нижа од врелишта, те се један дио излучује као капљевита фаза, док се остатак (засићена пара) враћа у рекуператор како би се хладио новонадолазећи плин. Линде је поступак усавршио увођењем ступњеване компресије и пригушивања те претхлађењем плина. Такви усавршени поступци користе се и данас у индустријским погонима за укапљивање зрака и других плинова, а примјењују се и слични поступци, у којима је пригушни дио замијењен експанзијским стројем ради поврата дијела рада утрошена при компресији. Такви су поступак са стапним компресором и експандером, те поступак с турбокомпресором и турбоекспандером. За укапљивање плинова служе и стројеви засновани на лијевокретном Стирлингову процесу (патент Пхилипс), те каскадни расхладни уређаји.

Данас се од плинова највише укапљује зрак, из којега се фракцијском дестилацијом издваја кисик (свјетска производња виша од 100 милијуна тона на годину) за металну и кемијску индустрију, душик, који се у капљевитом стању користи за постизање ниских температура, те племенити плинови, прије свега аргон. Осим зрака, у великим се количинама укапљују и гориви плинови: смјеса пропана и бутана у боцама за кућанску упорабу капљевита је при собној температури већ на умјереним тлаковима (између 2,5 и 8 бара, овисно о удјелу пропана), а за укапљивање метана при атмосферском тлаку (приближно 1 бар) потребно га је охладити на температуру од –162 °Ц. У будућности се очекује издашна примјена водика, који се рационално складишти само у капљевитом стању, а капљевити хелиј особито је важан у истраживању суправодљивости.