Post on 02-Mar-2019
KRIOGENIKA – ZASTOSOWANIA TECHNICZNE
1. Droga do zera bezwzględnego – rys historyczny
2. Termometria niskich temperatur – termometry gazowe, ciśnieniowe, oporowe, magnetyczne, termopary
3. Własności cieczy kriogenucznych 4He, 3He, N, Co2
4. Własności materiałów konstrukcyjnych w niskich temperaturach: mechaniczne, cieplne, elektryczne
5. Technologia próżni: wytwarzanie próżni, pomiary próżniowe
6. Ciecze, kriogeniczne: przechowywanie transport i zasady BHP
7. Praktyczne wykorzystanie niskich temperatur
8. Konstrukcja urządzeń kriogenicznych
TEMATYKA WYKŁADÓW
Metody otrzymywania niskich temperatur
Nadpłynność
Nadprzewodnictwo
Układy spinowe
METODY OTRZYMYWANIA NISKICH
TEMPERATUR
Termodynamiczny obieg chłodniczy
Efekt Joule’a Thomsona
Skraplanie gazów
Rozmagnesowanie adiabatyczne
Rozmagnesowanie jądrowe
NADPŁYNNOŚĆ
Dwupłynowy model helu II, doświadczenie
Kapicy
Lepkość ciekłego helu II
Teoria Landaua – fonony, rotony
Wiry kwantowe w helu II
Model Feynmana helu II
NADPRZEWODNICTWO
Efekt Meissnera
Zależność oporu od temperatury
Nadprzewodniki I i II rodzaju, Teorie nadprzewodnictwa
Efekt Josephsona
Nadprzewodzące interferometry kwantowe (SQUID)
METODY CHŁODZENIA I ZIĘBIENIA
Przemiany fazowe pobierają do realizacji ciepło z otoczenia w trakcie:
Topnienia
Parowania
Parowania i sublimacji
Rozpuszczania i tworzenia mieszanin oziębiających (eutektycznych)
Rozprężanie gazu z wykonaniem pracy zewnętrznej
METODY CHŁODZENIA I ZIĘBIENIA C.D
Ekspansja gazu. Swobodny wypływ gazu.
Ekspansja gazu przez dławienie (efekt Joula-
Thomsona)
Efekt termoelektryczny Peltiera
Rozcieńczanie 3He w 4He
Adiabatyczne zestalenie 3He
Rozmagnesowanie ciała stałego (efekt Debay’a)
KRIOGENIKA
Nazwa KRIOGENIKA pochodzi od słów greckich
Krous – zimno
Genos – pochodzenie , tworzenie
Dzisiaj kriogenika związana jest z osiąganiem
temperatur niższych od 120 K – temperatura
wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym
HISTORYCZNY ROZWÓJ KRIOGENIKI
Dążenie do skroplenia tzw. gazów trwałych
Gazy nietrwałe - można ich skroplić poprzez wzrost ciśnienia:
propan, butan, chlor
Gazy trwałe – nie można ich skroplić poprzez wzrost ciśnienia:
powietrze, tlen, azot, wodór, hel
HISTORYCZNY ROZWÓJ KRIOGENIKI
Temperatura krytyczna – temperatura, powyżej
której zanika różnica gęstości między stanem
gazowym a ciekłym danej substancji,
niemożliwe jest skroplenie gazu pomimo
wzrostu ciśnienia. Mówi się, że taka substancja
znajduje się w stanie nadkrytycznym.
IZOTERMICZNE SPRĘŻANIE GAZÓW
Nietrwałe, podlegające skropleniu
przez sprężanie przy temperaturze
otoczenia
Trwałe, nie podlegające skropleniu
przez sprężanie przy temperaturze
otoczenia
WYBRANE WŁASNOŚCI GAZÓW
KRIOGENICZNYCH
M – masa cząsteczkowa, TN – normalna temperatura wrzenia przy p=1ata, ΔHv – ciepło
parowania, ρ - gęstość, V-objętość, TC – temperatura krytyczna, PC – ciśnienie krytyczne
Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1 ata i 00C, c – w punkcie krytycznym,
V2/V1 – wzrost objętości podczas odparowywania
V3/V1 – odparowanie związane z ogrzewaniem do temperatury otoczenia
TERMODYNAMIKA
Termodynamika jest działem fizyki, którego
podstawowym zadaniem jest opis i analiza
ogólnych prawidłowości rządzących
przemianami energii w zjawiskach fizycznych,
bez wnikania w atomową budowę ciał.
UKŁAD TERMODYNAMICZNY
Układ termodynamiczny to dowolnie wybrana część fizycznego wszechświata.
Układów termodynamicznych nie wybiera się jednak dowolnie tylko definiuje się je w taki sposób, aby łatwo było dokonać dla nich obliczeń termodynamicznych lub "objąć" układem interesujące nas zjawisko.
Typowe układy termodynamiczne to np. wnętrze silnika, naczynie z gazem lub cieczą, w którym zachodzi jakaś interesująca przemiana, lub np. chłodziarka, czy też skraplarka.
Dzięki ograniczeniu danego zjawiska do układu można osobno rozpatrywać procesy wewnątrz układu i procesy wymiany energii między układem i otoczeniem, o którym dzięki temu nic nie musimy wiedzieć.
UKŁAD TERMODYNAMICZNY C.D.
Układy termodynamiczne dzieli się na:
otwarte - wymienia z otoczeniem energię i masę,
zamknięte - wymienia z otoczeniem energię, nie
wymienia masy,
izolowane - nie wymienia z otoczeniem ani energii
ani masy.
ZEROWA ZASADA TERMODYNAMIKI
Jeśli układy A i B mogące ze sobą wymieniać ciepło są
ze sobą w równowadze termicznej, i to samo jest
prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze
sobą w równowadze termicznej.
Z zerowej zasady wynika istnienie temperatury empirycznej.
Istnieje mianowicie taka wielkość fizyczna β, która jest
równa dla układów A i B, będących ze sobą w równowadze
termodynamicznej.
Zerowa zasada termodynamiki stwierdza także, że ciało w
równowadze termodynamicznej ma wszędzie tę samą
temperaturę.
PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI
Jest sformułowaniem zasady zachowania energii dla układów termodynamicznych.
Istnieją różne sformułowania tej zasady, zależnie od sytuacji:
Sformułowanie dla układu izolowanego:
Energia wewnętrzna układu termodynamicznie izolowanego nie zmienia się, niezależnie od przemian zachodzących w tym układzie
Sformułowanie dla układu zamkniętego:
Zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa sumie pracy wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła dostarczonego lub oddanego przez układ
PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI
Zmiana energii wewnętrznej układu ΔU wyrażona jest zależnością:
Gdzie:
Q - ciepło dostarczone do układu. Może ono przybierać wartość ujemną, oznacza wówczas ciepło oddawane przez układ.
W - praca wykonana nad układem. Praca mniejsza od 0 oznacza pracę wykonaną przez układ.
Ponieważ zarówno ciepło, jak i praca mogą być ujemne, ujemny być może również przyrost energii wewnętrznej, co oznacza, że energia wewnętrzna układu może się zmniejszać
WQU
ENERGIA WEWNĘTRZNA JAKO FUNKCJA STANU
Pierwsza zasada termodynamiki pozwala na zdefiniowanie energii wewnętrznej jako funkcji stanu:
Dla wszystkich procesów prowadzących od pewnego określonego stanu do drugiego, zmiana ΔU ma zawsze tę samą wartość, choć ilości dostarczanego ciepła i wykonanej pracy są na ogół różne dla różnych procesów.
W warunkach nieskończenie małych przyrostów, pierwsza zasada termodynamiki jest w tym przypadku wyrażona następująco:
gdzie δQ i δW są "różniczkami niezupełnymi", tj. zależnymi od drogi; dU zaś jest "różniczką zupełną", tj. niezależną od sposobu przebiegu procesu.
WQdU
DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI
Stanowi ogólną regułę określającą kierunek procesów zachodzących w przyrodzie. Formułuje się ją w różnych wersjach
Najogólniejszy i najpełniejszy charakter ma sformułowanie posługujące się pojęciem entropii.
temperatura ciała - jest miarą intensywności chaotycznych ruchów cieplnych atomów lub cząstek tworzących ciało,
entropia (S) - jest miarą stopnia chaotyczności (nieuporządkowania) tych ruchów. Im większy chaos (mniejsze uporządkowanie), tym większa entropia.
DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI
W układzie izolowanym od otoczenia (adiabatycznym) mogą zachodzić tylko takie procesy, w wyniku których entropia układu wzrasta (lub w najlepszym razie jest stała).
Innymi słowy, ogólną cechą procesów zachodzących w przyrodzie jest to, że prowadzą one do zwiększenia molekularnego chaosu (zmniejszenia uporządkowania) albo inaczej do systematycznego zmniejszania się energii uporządkowanych ruchów materii, wzrostu zaś energii chaotycznych ruchów cieplnych, czyli energii cieplnej.
0S
DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI
Druga zasada ma charakter tendencji statystycznej, a nie prawa bezwzględnego.
Możliwe są procesy nie spełniające drugiej zasady, są one jednak tak mało prawdopodobne, że zaobserwowanie takiego procesu (jak np. samorzutne zagotowanie się wody w nie ogrzewanym imbryku) w skali miliardów miliardów miliardów... lat jest praktycznie nierealne.
DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI
ALTERNATYWNE SFORMUŁOWANIA
Najszerzej znane alternatywne sformułowania pochodzą od Clausiusa: "Ciepło nie może samorzutnie przepływać od ciała o
temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej„
oraz od Lorda Kelvina: "Nie jest możliwy proces, którego jedynym skutkiem
byłoby pobranie pewnej ilości ciepła ze zbiornika i zamiana go w równoważną ilość pracy"
TRZECIA ZASADA TERMODYNAMIKI
Zasada - twierdzenie Nernsta, Nernsta-Plancka
przy temperaturze układu dążącej do zera
bezwzględnego przestają zależeć od temperatury
wszystkie wielkości charakteryzujące stan układu
(np. objętość, energia cieplna, entropia itp.) i sama
entropia dąży do zera
0),,(lim0
NVTST
POTENCJAŁY TERMODYNAMICZNE
Potencjały termodynamiczne - w termodynamice, wielkości fizyczne związane z układem termodynamicznym, określane jako funkcje niezależnych parametrów makroskopowychcharakteryzujących układ termodynamiczny, za pomocą których można w pełni i jednoznacznie opisać stan układu termodynamicznego.
Określiwszy potencjał termodynamiczny uzyskuje się nie tylko wszystkie pozostałe parametry układu, ale także inne wielkości makroskopowe charakteryzujące układ oraz zachodzące w nim procesy termodynamiczne.
Umożliwiają wygodniejsze, niż bezpośrednio z zasad termodynamiki, określenie samorzutności oraz warunków równowagi procesów odwracalnych.
POTENCJAŁY TERMODYNAMICZNE C.D.
Cztery, najczęściej używane potencjały
termodynamiczne określane są dla założonych
stałych, nie zmieniających się par parametrów
przemiany termodynamicznej:
(S, V) lub
(T, V) lub
(S, p) lub
(T, p).
POTENCJAŁY TERMODYNAMICZNE C.D.
Nazwa potencjału Formuła Zmienne naturalne
Energia wewnętrzna U S, V, {Ni}
Energia swobodna Helmholtza F = U - TS T, V, {Ni}
Entalpia H = U + pV S, p, {Ni}
Entalpia swobodna Gibbsa G = U + PV - TS T, p, {Ni}
Gdzie T = temperatura, S = entropia, p = ciśnienie, V = objętość, Ni - liczba cząsteczek
typu i. W układach w których liczba cząsteczek poszczególnych typów nie zmienia się
parametr ten jest ignorowany.
ENERGIA WEWNĘTRZNA
Energia wewnętrzna układu termodynamicznego U, jest: całkowitą energią kinetyczną molekuł (ruch postępowy, obrotowy,
drgania)
energią potencjalną związaną z drganiami
energią elektryczną atomów wewnątrz cząsteczek lub kryształów. Zawiera ona energię wszystkich wiązań chemicznych i swobodnych elektronów przewodnictwa metali.
Do energii wewnętrznej zalicza się też energię jądra atomów i promieniowanie elektromagnetyczne będące w objętości układu.
W termodynamice nie jest istotna całkowita ilość energii lecz jej zmiany, dlatego wszystkie rodzaje energii, które nie zmieniają się podczas przemian termodynamicznych, są pomijane.
Energia wewnętrzna w zamkniętym układzie termodynamicznym o stałej entropii osiąga najmniejszą wartość.
ENERGIA SWOBODNA (POTENCJAŁ
HELMHOLTZA)
Energia swobodna Helmholtza
F = U – TSjest często wykorzystywanym potencjałem gdyż jej
zmiennymi naturalnymi są łatwo mierzalne
temperatura i objętość. W stałej temperaturze i
objętości osiąga minimum w stanie równowagi.
Zmiana energii swobodnej jest równa
maksymalnej pracy jaką układ może wykonać w
stałej temperaturze.
Dla przemian zachodzących przy stałym ciśnieniu i w
których nie jest wykonywana praca nieobjętościowa,
zmiana entalpii jest równa ilości ciepła dostarczonego
do układu, dlatego zwana też zawartością ciepła.
H = U + pV
W wielu przypadkach reakcje chemiczne i przemiany
fizyczne zachodzą przy stałym ciśnieniu, dlatego
entalpia jest często używanym w chemii i fizyce zmian
stanów skupienia potencjałem termodynamicznym.
FUNKCJA GIBBSA ENTALPIA SWOBODNA
G = U + PV - TS W procesach spontanicznych procesie izotermiczno-
izobarycznych (stała temperatura i ciśnienie) energia swobodna Gibbsa maleje lub nie zmienia wartości, w stanie równowagi osiąga minimum.
Entalpia swobodna Gibbsa jest maksymalną pracą nie związaną ze wzrostem objętości (pracy nieobjętościowej), możliwej do uzyskania z zamkniętego układu i może osiągnąć swoje maksimum w procesie odwracalnym izotermiczno-izobarycznym.
Określa miarę uporządkowania cząstek w danym
układzie i wyraża się wzorem:
gdzie δQ jest to nieskończenie małe dostarczenie do
układu energii.
T - jest to temperatura w tym układzie.
T
QdS
WARUNKI RÓWNOWAGI UKŁADU
TERMODYNAMICZNEGO
Potencjały termodynamiczne są bardzo użyteczne przy określaniu równowagi procesów w których zachodzą procesy fizyczne (np. parowanie) lub reakcje chemiczne.
Reakcje chemiczne zwykle przebiegają w warunkach pewnych ograniczeń takich jak:
stałe ciśnienie
stała temperatura,
stała entropia lub objętość.
Dla tak określonych ograniczeń (stałych parametrów przemiany) warunek równowagi opisany w II zasadzie termodynamiki oznaczający wzrost sumaryczny entropii układu i jego otoczenia, wyraża się z pomocą potencjałów opisujących warunki równowagi tylko z użyciem parametrów układu.