低温技术基础 习题1-3答案

《低温技术基础》习题

1.低温（深冷）与制冷(普冷)的温度分界线为：120k

2．氮气的标准沸点 77.36k ；液化天然气的主要成分甲烷的标准沸点 111.7k ； 氢气的标准沸点 20.39k ；通常情况下氦气（4He ）的标准沸点为 4.224k ；氧气的标准沸点 90.188k 。(以上数值精确到0.1K ）

3.温度下降，材料的屈服强度升高；材料的硬度升高；材料的延展性下降 ；润滑油粘度增加；纯金属的导热系数上升；气体的导热系数 下降 ；金属导体的电阻 下降。

4. 1908年，Leiden university 的Onnes 实现了氦的液化，从此不再有永久气体。

5.比较以下4种热力学过程的参数变化？ 表1

6. “答：正确，在一个大气压下氧气的液化温度为90K ，且氧的三相点低于77K 。所以液态的氧气能达到77K 的温度

7．“液化温度越低的气体其理论最小液化功越大”是否正确？为什么？ 答：不正确，例如氦的液化温度比氢要低，但其最小理论功还是氢大。 8．氦气难以液化是因为其理论最小液化功大吗？为什么？ 答：不是，是因为氦气的转化温度和液化温度都非常的低

9．画出气体液化理论循环的流程图和T-s 图，并写出气体液化所需理论最小功 的计算公式。

答： w min =)()(111f f h h S S T ---

10．写出空气中含量前三位的气体成分并标注其体积百分比。 答：78.12%氮，20.95%氧，0.93％氩（干燥空气）

11．什么是等温节流效应？在T-s 图上表示出等温节流效应。

答：()r p h h h h h h T T c q ∆-=-=-=-=1020210即它在数值上等于压缩前后气体的焓差，这一焓差常用-△hT 表示，称为等温节流效应。

12．气体等温压缩后再等熵膨胀后所获得的制冷量表达式？（请在T-s 图上标出过程），并解释其制冷量与膨胀功和等温节流效应的关系？

答：()()e T s w h h h h h h h q +∆-=-+-=-=2110200即制冷量为等温节流效应与膨胀功w e 之和。

13．请列举目前低温技术的5个主要应用领域。

答：军事领域、航空航天领域、医学领域、固体物理、超导技术。

14．请列举一些现在已在航空航天领域使用到的低温技术或设备。 答：辐射制冷、脉管制冷机、斯特林制冷机、布雷顿低温制冷机。

15．在T-s 图上表示出磁致冷过程，并解释其制冷原理。

答：在初温T i 下等温磁化过程A-B ，在此过程中排出热量，熵减小；及绝热退磁过程B-C ，在此过程中温度降到T f 。

16．请写出10种可以降温的物理方法？

答：相变制冷、气体绝热膨胀制冷、涡流制冷、绝热放气制冷、温差电制冷（帕尔帖效应）、顺磁盐或核绝热退磁制冷、氦稀释制冷、固体升华制冷、3He减压蒸发制冷、3He绝热压缩制冷、吸附式制冷等，而近期还发展了利用宇宙空间低温热汇（2~4K）辐射制冷的方法。

17．液氮什么颜色？液氧什么颜色？液体空气什么颜色？

答：液氮无色，液氧浅蓝色，液空浅黄色。

18．正氢和仲氢的区别是什么？什么是平衡氢？平衡氢在低温下的主要成分是？在常温下的主要成分是？什么是正仲转化？正仲转化是吸热过程还是放热过程？

答：由双原子构成的氢分子H2内，由于两个氢原子核自旋方向的不同，存在着正、仲两种状态。正氢（o-H2）的原子核自旋方向相同，仲氢（p-H2）的原子核自旋方向相反。不同温度下平衡状态的氢称为平衡氢，用符号e-H2表示。平衡氢在低温下的主要成分是仲氢。在常温下的主要成分是正氢。在一定条件下，正氢可以变为仲氢，这就是通常所说的正-仲态转化。正仲转化是吸热过程还是放热过程是放热过程。

19.在所有气体中，粘度最小的是（），导热率最高的是（），比热最大的是（）。

答：氢、氢、氢

20. 氢有三种同位素，分别是哪三种？自然界中的氢气主要是那一种？

答：具有三种同位素：原子量为1的氕（符号H）；原子量为2的氘（符号D）和原子量为3的氚（符号T）。自然界中的氢气原子主要是H

21.液氢的生产过程为什么要采用催化剂来加速正仲转化?

答：液态正常氢转化时放出的热量超过气化潜热（447kJ/kg）。由于这一原因，即使在一个理想的绝热容器中在正-仲态转化期间，贮存的液态正常氢亦会发生气化；在起始的24h内约18%的液氢要蒸发损失掉，100h后损失将超过40%。为了减少液氢在贮存中的蒸发损失，通常是在液氢生产过程中采用固态催化剂来加速正一仲态转化反应。

22. 自然界中的氦气主要是3He还是4He？氦气主要从什么气体中提取？

答：4He 94%从天然气中提取

23. 氦气是一种特殊的低温气体，4He没有三相点，液氦II 在λ线左边，具有超流性。”是否正确？

正确

24. 可以在室温下对与氢或氦节流降温吗？为什么？若不可以，要采用什么方法使其节流降温？

答：不可以。因为氢或氦的转化温度比室温低的多。必须采用预冷的方法，使其降温到上转化温度一下，节流后才能产生冷效应。

25.在T-s上比较气体绝热节流和等熵膨胀过程制冷量和温度变化.

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26.对气体的绝热膨胀，无论从降温效果及制冷量来看，等熵膨胀比节流膨胀要有效的多，但为什么节流依然应用很广？

答：（1）节流过程用节流阀，结构比较简单，也便于调节；等熵膨胀则需要膨胀机，结构复杂。且活塞式膨胀机还有带油的问题；（2）在膨胀机中不可能实现等熵膨胀过程，因而实际上能得到的温度效应及制冷量比理论值要小（3）节流阀可以在气液两相区内工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量；但带液的两相膨胀机〔其带液量尚不能很大〕现在还在研制和试用阶段；（4）初温越低，节流同等熵膨胀的差别越小，此时，应用节流较有利。因此，节流和等熵膨胀这两个过程在低温装罝中都有应用，它们的选择，依具体条件而定。

27. 液体节流过程由于其存在压差，压差做的功会转化为热量，而使液体温度升高，这种说法对吗？为什么？

答：不对，若节流后含有大量气体，温度一般降低

28.要通过气体节流获得-20℃的温度，在氮气、氧气、二氧化碳中，采用哪一种比较合适？

答：二氧化碳比较合适，其节流效应比较的大，节流效果好

29.要想得到80K 下2W的制冷量，采用哪一种制冷方式较好？如要大量液化天然气采用哪一种制冷方式较好？如要得到-50℃下5kW 的制冷量，那种制冷方式比较合适？

答：1.斯特林制冷，脉管制冷；2.膨胀与节流结合的制冷；3.蒸气压缩相变制冷30．请画出一次节流液化循环（又叫林德-汉普逊循环）的循环流程图和T-s 图。