浅析获得低温的方法
摘要：低温技术不仅与人们当代高质量生活息息相关，同时与世界上许多尖端科学研究(诸如超导电技术、航天与航空技术、高能物理、受控热核聚变、远红外探测、精密电磁计量、生物学和生命科学等)密不可分。在超低温条件下，物质的特性会出现奇妙的变化：空气变成了液体或固体；生物细胞或组织可以长期贮存而不死亡；导体的电阻消失了——超导电现象而磁力线不能穿过超导体——完全抗磁现象；液体氦的黏滞性几乎为零——超流现象，而导热性能比高纯铜还好。本文将会介绍几种获得低温的方法并且简要说说它们的原理。
关键词：低温；方法；原理
1、相变制冷
物质集态的改变称为相变。
相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。
相变制冷就是利用前者的吸热效应而实现的。利用液体相变的，是液体蒸发制冷；利用固体相变的，是固体融化或升华冷却液体蒸发制冷以流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体全部相变，冷却过程即告终止。
在低温技术中使用下列相变制冷的方法：液体气化制冷、固体升华制冷。 （1）液体气化制冷
原理：利用液体汽化成蒸气的过程吸收热量，从而达到制冷的目的。为了使其连续不断地工作，成为一个循环，便必须使制冷剂在低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化和高压液体降压。 蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式和吸附式制冷都具备上述四个基本过程，属于液体汽化制冷。 （2）固体升华制冷
原理：以固体制冷剂向高真空空间升华来来获得能量。其工作温度取决于制冷剂种类、系统压力和热负荷。如果改变蒸汽流量。从而改变系统背压，就可以保持一个特定的温度。目前使用最多的固体制冷为氮、氖、氩及二氧化碳。 应用：冷却红外或射线探测器、机载红外设备等。 优点：1)升华潜热较高；2)储存密度较大；3)固体制冷剂温度较低，可提高红外探测器的灵敏。 2、膨胀制冷 （1）节流制冷
大多数实际制冷或液化系统都利用节流过程（焦耳-汤姆逊）来获得低温。 原理：气体通过节流阀时，由于局部阻力。压力显著降低，称为节流。节流时间短，可看作绝热，如再忽略动能和势能变化，可将节流过程看作等焓过程，h1=h2。由于摩擦阻力存在，实际节流过程是一个熵增的不可逆过程。理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变。而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度会发生变化，我们可以利用这一特点来制冷。
（2）等熵膨胀制冷
原理：等熵膨胀过程中，du+dw=duk+dup+dw=0。有外功输出dw>0，膨胀后气体的内位
能增大dup>0，这些都需要消耗能量，只能由内动能来补偿duk<0 ，所以温度必然降低。对于理想气体
（3）气体绝热放气制冷
绝热放气：容器内高压气体绝热排放过程中，容器内的气体对排出容器的气体做功，则容器内的气体温度下降。 原理：1）缓慢放气 假定放气过程进行很慢：活塞左侧气体始终处于平衡状态，将按等熵膨胀，所作功按其本身压力计算，因而对外作功最大，温降也最大。 2）快速放气 假定放气过程进行很快：设想阀门打开后活塞右侧气体立即从p1降到p2。因假定放气过程进行很快，活塞左侧气体膨胀时只针对一恒定不变压力p2作功，对外作功最小，温降也最小。 （4）三种膨胀方式对比
以上三种膨胀方法制冷的对比如下表：
3、热电制冷
原理：利用帕尔贴效应制冷：在两种不同金属组成的闭合回路中，若通以直流电，就会使一个节点变冷，一个变热，这种温差电现象称为帕尔贴效应。 而这种方法一般在低温制冷中不常采用。 4、辐射制冷
原理：利用物体向低温冷源辐射散热的方式进行制冷。通常用于卫星或空间飞行器，以宇宙空间为低温冷源。 5、吸附制冷
原理：蒸发制冷循环。利用吸附工质液化后从外界吸热蒸发制冷。间歇式基本循环，连续回热循环（两台以上吸附器作为吸附压缩机）。实际制冷方式为相变制冷。 6、获得更低温度 （1）磁制冷
原理：利用磁热效应来制冷。磁热效应：固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。绝热去磁过程只能在极低温下实现，若要实现显著的温降，晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。
特点：1）磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐 2）理想磁制冷机的COP同卡诺制冷机的相同 3）磁制冷机可以在失重状态下运行 优点：磁制冷不要压缩机、噪声小，小型量轻等。
（2）稀释制冷机
稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素3He和4He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。
氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有5×10体积分数左右。在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10Pa?s左右，具有极好的超流动性, 流动几乎没有阻力。同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能形成温度梯度。氦由二种稳定同位素3He和4He组成。正常的氦气里仅含1.3?10?6的3He，因此，除非特别说明，一般均指4He。4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中
氦3/氦4稀释制冷机原理： 1）气体（纯氦3）由真空泵压缩，后在换热器和4.2K的液氦浴中冷却。 2）压缩气体然后通过1.2K的氦浴冷却而冷凝。 3）液氦3经一毛细管膨胀，进一步在0.6K的蒸馏器中冷却。 4）液体进入混合室（氦3在0.005K和0.050K间与氦-4混合）之前在另一换热器中冷却。
参考文献：
（1）陈光明 制冷与低温原理第二版 ；北京：机械工业出版社 2010 （2）周远 制冷与低温工程；北京：中国电力出版社 2003