Eksperimentalne metode moderne fizike

1. Eksperimentalne metode moderne fizike Niskotemperaturne tehnike –kriogenika Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr)

2. 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

3. 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, …)

4. 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

5. 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

6. Tc=647 za vodu: p=910 Pa, T=0,01 oC=273,16 K Fazni dijagram za vodu

7. 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

8. 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.

9. Svojstva nekih ukapljenijh plinova BP - točka vrenja CP - kritična točka TP - trojna točka

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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)

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.