关于低温的概念、技术和应用

关于低温的概念、技术和应用

毕延芳2001/5/20

1.引言

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。下面我们将以通俗易懂的方式介绍低温趣事、低温技术的应用和低温产生。

2.自然界低温

大多数人知道，水的冰点是0℃(以下温度凡未说明都以摄氏度计)，比人的体温低37度。在我国领土的最北端漠河，冬天最低温度可达零下50-60度；当飞机在8,000米高空飞行时，高空的气温低达零下80多度；而地球南极的冬天气温可低达零下90度。在太空，远离太阳，接收太阳光的热愈少，则温度愈低。月球背阳面的温度为零下160多度，而冥王星温度是零下229度。在远离恒星的辽阔无际的超冷区域，大体温度是零下270度。

3.物态/物性与温度的关系

在夏天奔泻呼啸的黄河到冬天可以走汽车；人们天天呼吸的空气到零下196度都会变成液体，如果进一步降温到零下217度，则空气也冻成了坚硬的固体。总之，随着温度降低，人们生存必需的氧气，用于电弧焊接保护的氩气，占空气77%的氮气，充霓虹灯的氖气和充灌气球的氢气都相继液化和冻结。氦气是最后被液化的气体，在大气中氦气含量不到百万分之一，原先只在太阳光谱中发现氦的谱线，后来在铀矿和天然气中发现地球上也有，由于它的液化温度低，直到20世纪初才被液化，液氦在大气压下无论如何降温也不冻结成固体，只有在25大气压以上才会凝结成固体。

由上面的叙述可见，随着温度降低，室温时的气态物质可以转化成液态、固态。如果升高温度(数百万度)，气态可以转化为等离子态，所有原子和分子游离成带电的电子和正离子，人们称等离子态为物质的第四态。一些金属、合金、金属间化合物和氧化物，当温度低于临界温度时出现超导电性(即零电阻现象)和完全抗磁性(把磁力线完全排除出体外现象)。液氦温度低于零下271度时还出现超流现象，液体的黏滞度几乎为零，杯子内的液氦会沿器壁爬到杯子下面，液体的传热系数比铜还好。上述两种现象可称为超导态和超流态，人们把超导态和超流态称为物质的第五态。

那么低温是否有尽头？对此问题英国科学家开尔文在1848年已做了回答，从理想气体的压力、体积与温度的关系式，他推论绝对温标的0度是低温的尽头。所谓绝对0度，即摄氏零下273.15度（记为0K，绝对温度=摄氏温度+273.1），正如理论上所说它是分子运动完全停止的温度。在自然界，运动是物质存在的形式，运动是物质的固有属性，要物质的热运动完全停止是办不到的，但人们可以不断地接近绝对零度。有报道说，最低的温度记录是3.3 10-8K。

随着温度降低金属材料的长度会缩短，导电性和机械强度提高，比热减小，热导率也有

大的变化。低温使一些物质内部结构发生变化，在室温下亮晶晶的锡制品在严寒的冬天会

图1. 温度与物态

（－150℃）100℃）℃）

195.74℃）

℃）

变成粉末状灰锡；橡胶和塑料失去了弹性和塑性；碳钢会发脆，历史上曾发生过多起大型轮船在极地附近海域行驶时焊缝开裂而沉没的事故；高纯金属(如铝、铜、银、铂等)在4K温度时的电阻比室温时低几百几千倍，比热也比室温下小几千倍，而热导率在10-40K之间出现相当高的峰值后再下降。

4.普冷/低温与人们的生活

人们司空见惯的电冰箱、空调器和超市中的速冻食品与生活密切相关。依靠人工制冰技术，人们在炎热的盛夏可以享受溜冰运动的乐趣。在医院里可以用零下几十度的冷刀切除人皮肤上的疣子，由于血液冻结，可以避免大量流血；低温麻醉术可以避免一般药物麻醉对人体的伤害。在现代化大医院中，检查人体软组织病变的核磁共振成象仪(见图2)对于诊断早期癌症十分有效，避免了传统的开刀切片检查的痛苦。这种核磁成象仪需要有效孔径比人体大的大体积5,000-15,000高斯高稳定度的均匀磁场，用超导磁体产生，其运行温度是4.2K，用液氦冷却。缺氧病人用的氧气源是液态氧，由空气液化后进行氧氮分离而制备获得的。在大城市的夜晚，人们看到的五光十色的霓虹灯中所充的稀有气体(氖、氩、氪、氦等)都是在空气液化后分离制备的。汽油或柴油作为汽车燃料对环境污染比较严重，天然气是比较清洁的燃料，采用液化天然气比压缩天然气使汽车携带更多燃料，天然气的液化温度是零下162度。也有人认为使用液氢作为汽车燃料是最清洁的，在德国已经开始试用(见图3)。在城市地下交通建设中，为避免在建筑物下挖掘地铁隧道而引起塌方，可将隧道周围的土层进行冻结。

5.低温与科学技术

冷冻方法可以长期保存食物，城市需要冷库，家庭拥有冰箱，空调设备使人们在炎热夏天变得舒适……对大多数人已不陌生，这些都属于普冷技术范畴。低温技术是指温度低于零下150度的领域。由于低温与科学研究和许多高新技术相关，下面分别叙述。

科学研究

低温物理学是涉及低温学现象和相关物理学研究，本身就是一门获15项以上诺贝尔奖的年轻学科。人们比较熟悉有冯•德•瓦尔斯(真实气体定律提出者)，卡曼林•昂内斯(氦液化和超导电性发现者)，巴丁、库柏、施瑞弗(提出超导电性BCS理论)，约瑟夫逊(发现超导隧道效应者)和李政道、杨振宁等人。

低温技术为物理学研究开辟了广阔的天地。1956年哥伦比亚大学吴健雄博士利用刺刀磁体和0.01K低温条件，测定放射性钴60放射出来电子在原子核自旋方向的分布，验证李政道和杨振宁博士提出的弱相互作用下宇称不守恒的观点，打破了物理学的一条基本规律“宇称守恒定律”。

1911年荷兰莱顿大学教授卡曼林-昂内斯在液氦温度发现了水银的超导电性(电流在导体内无电阻流动)，人们首先想到用超导材料制造电磁体，但遗憾的是几乎所有超导纯金属在2000高斯磁场时失去超导电性。直到1970年代，才制造出在液氦温度(4.2K)能产生5~12万高斯强磁场实用的铌钛合金和铌三锡金属化合物超导材料。

用钕铁硼永磁材料可产生数千高斯大体积稳态磁场而不消耗电能；用电磁铁(铜/铝线圈+导磁材料)能经济地产生8,000~15,000高斯小体积的磁场；要产生高于15,000高斯磁场或大体积磁场，不得不大大增加电能消耗。如果要求的磁场工作孔径较小(~32mm)，则水冷比