Het begrip Cryogenics begrijpen

Cryogenics wordt gedefinieerd als de wetenschappelijke studie van materialen en hun gedrag bij extreem lage temperaturen. Het woord komt uit het Grieks cryo, wat "koud" betekent, en oestrogene, wat "produceren" betekent. De term wordt meestal aangetroffen in de context van natuurkunde, materiaalkunde en geneeskunde. Een wetenschapper die cryogenica bestudeert, wordt a genoemd cryogenicist. Een cryogeen materiaal kan a worden genoemd cryogeen. Hoewel koude temperaturen kunnen worden gerapporteerd met behulp van elke temperatuurschaal, komen de Kelvin- en Rankineschalen het meest voor, omdat het absolute schalen zijn met positieve getallen.

Precies hoe koud een stof moet zijn om als "cryogeen" te worden beschouwd, is een kwestie van enig debat door de wetenschappelijke gemeenschap. Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) beschouwt cryogenica als temperaturen onder −180 ° C (93.15 K; −292.00 ° F), wat een temperatuur is waarboven koelmiddelen (bijvoorbeeld waterstofsulfide, freon) gassen zijn en waaronder "permanente gassen" (bijvoorbeeld lucht, stikstof, zuurstof, neon, waterstof, helium) vloeistoffen zijn. Er is ook een studiegebied genaamd "hoge temperatuur cryogenen", waarbij temperaturen boven het kookpunt van vloeibare stikstof bij normale druk (-195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F), tot -50 ° C (223,15) K; −58,00 ° F).

Het meten van de temperatuur van cryogenen vereist speciale sensoren. Weerstandstemperatuurdetectoren (RTD's) worden gebruikt om temperatuurmetingen uit te voeren tot 30 K. Onder 30 K worden vaak siliciumdioden gebruikt. Cryogene deeltjesdetectoren zijn sensoren die een paar graden boven het absolute nulpunt werken en worden gebruikt om fotonen en elementaire deeltjes te detecteren.

Cryogene vloeistoffen worden meestal opgeslagen in apparaten die Dewar-kolven worden genoemd. Dit zijn dubbelwandige containers die een vacuüm tussen de wanden hebben voor isolatie. Dewar-kolven bedoeld voor gebruik met extreem koude vloeistoffen (bijvoorbeeld vloeibaar helium) hebben een extra isolatiecontainer gevuld met vloeibare stikstof. Dewar-kolven zijn vernoemd naar hun uitvinder, James Dewar. De kolven laten gas ontsnappen uit de container om te voorkomen dat drukopbouw kookt die kan leiden tot een explosie.

Cryogene vloeistoffen

De volgende vloeistoffen worden het meest gebruikt in cryogenics:

Vloeistof	Kookpunt (K)
Helium-3	3.19
Helium-4	4,214
Waterstof	20.27
Neon	27.09
Stikstof	77.36
Lucht	78.8
fluorine	85.24
argon	87,24
Zuurstof	90.18
methaan	111,7

Gebruik van Cryogenics

Er zijn verschillende toepassingen van cryogenica. Het wordt gebruikt om cryogene brandstoffen voor raketten te produceren, inclusief vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof (LOX). De sterke elektromagnetische velden die nodig zijn voor nucleaire magnetische resonantie (NMR) worden meestal geproduceerd door elektromagneten onderkoeling met cryogenen. Magnetic resonance imaging (MRI) is een toepassing van NMR die vloeibaar helium gebruikt. Infraroodcamera's vereisen vaak cryogene koeling. Cryogeen invriezen van voedsel wordt gebruikt om grote hoeveelheden voedsel te transporteren of op te slaan. Vloeibare stikstof wordt gebruikt om mist te produceren voor speciale effecten en zelfs speciale cocktails en gerechten. Het invriezen van materialen met behulp van cryogene stoffen kan ze bros genoeg maken om in kleine stukjes te worden gebroken voor recycling. Cryogene temperaturen worden gebruikt om weefsel- en bloedmonsters op te slaan en experimentele monsters te bewaren. Cryogene koeling van supergeleiders kan worden gebruikt om de transmissie van elektrische energie in grote steden te vergroten. Cryogene verwerking wordt gebruikt als onderdeel van sommige legeringsbehandelingen en om chemische reacties bij lage temperatuur te vergemakkelijken (bijvoorbeeld om statinegeneesmiddelen te maken). Cryomilling wordt gebruikt om materialen te frezen die te zacht of elastisch kunnen zijn om bij normale temperaturen te frezen. Koeling van moleculen (tot honderden nano Kelvin) kan worden gebruikt om exotische materietoestanden te vormen. Het Cold Atom Laboratory (CAL) is een instrument ontworpen voor gebruik in microzwaartekracht om Bose Einstein-condensaten (ongeveer 1 pico Kelvin-temperatuur) en testwetten van de kwantummechanica en andere fysische principes te vormen.

Cryogene disciplines

Cryogenics is een breed veld dat verschillende disciplines omvat, waaronder:

cryonics - Cryonics is de cryopreservatie van dieren en mensen met als doel ze in de toekomst nieuw leven in te blazen.

cryochirurgie - Dit is een tak van chirurgie waarbij cryogene temperaturen worden gebruikt om ongewenste of kwaadaardige weefsels, zoals kankercellen of moedervlekken, te doden.

Cryoelectronics - Dit is de studie van supergeleiding, hoppen met variabel bereik en andere elektronische fenomenen bij lage temperatuur. De praktische toepassing van cryo-elektronica wordt genoemd Cryotronics.

cryobiologie - Dit is de studie van de effecten van lage temperaturen op organismen, inclusief het gebruik van organismen, weefsel en genetisch materiaal cryopreservatie.

Cryogenics Fun Fact

Terwijl cryogenics meestal temperatuur onder het vriespunt van vloeibare stikstof omvat, maar boven dat van absoluut nul, hebben onderzoekers temperaturen onder het absolute nul bereikt (zogenaamde negatieve Kelvin-temperaturen). In 2013 koelde Ulrich Schneider aan de Universiteit van München (Duitsland) het gas onder het absolute nulpunt, waardoor het naar verluidt heter werd in plaats van kouder!

bronnen

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negatieve absolute temperatuur voor bewegingsgraden". Wetenschap 339, 52-55.
• Gantz, Carroll (2015). Koeling: een geschiedenis. Jefferson, North Carolina: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
•  Nash, J. M. (1991) "Vortex-expansie-apparaten voor hoge temperatuur cryogenen". Proc. van de 26e Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 4, pp. 521-525.