热力学与统计物理 汪志城 第四版 2章8节讲义.pptx

《热力学与统计物理 汪志城 第四版 2章8节讲义.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学与统计物理 汪志城 第四版 2章8节讲义.pptx（16页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、一、节流降温法一、节流降温法 使气体在致冷区节流膨胀，可使气体降温。使气体在致冷区节流膨胀，可使气体降温。焦焦汤效应的典型大小是汤效应的典型大小是1010-1-1-1K-1KPnPn-1-1。两个优点两个优点：1.1.装置没有移动部分（低温下移动部分的润滑是十分困难的问装置没有移动部分（低温下移动部分的润滑是十分困难的问题）题）2.2.在一定的压强将落下，温度越低所获得的温度降落越大。在一定的压强将落下，温度越低所获得的温度降落越大。缺点：缺点：n利用节流过程降温，气体的初温必须低于反转温度。利用节流过程降温，气体的初温必须低于反转温度。n解决办法解决办法是是：n 使节流过程重复进行，并通过逆

2、流交换器使节流膨胀降温后使节流过程重复进行，并通过逆流交换器使节流膨胀降温后的气体对后进来的气体进行预冷，把各次节流膨胀所获得的冷的气体对后进来的气体进行预冷，把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。却效应积累起来。n18951895年年林德林德利用此法成功地将空气液化，故此发也叫利用此法成功地将空气液化，故此发也叫林德法林德法。第1页/共16页几种气体的反转温度气体气体最高反转温度最高反转温度 /K临界温度临界温度/K1Pn下的沸点下的沸点/KCO21275 304 N2 607 126 77.3H2 204 33.120.4He 43 5.2 4.2第2页/共16页二、绝热膨胀降温法二、绝

3、热膨胀降温法 气体经绝热膨胀后，温度总是降低的。气体经绝热膨胀后，温度总是降低的。优点优点：不必经过预冷。：不必经过预冷。使气体重复经过绝热膨胀过程而降温，并利用逆使气体重复经过绝热膨胀过程而降温，并利用逆流热交换器将各次获得的降温效应积累起来就可使气体流热交换器将各次获得的降温效应积累起来就可使气体的温度降到临界点一下而液化。的温度降到临界点一下而液化。克劳德法克劳德法就是以此为基础的。就是以此为基础的。缺点缺点：膨胀机有移动部分，而且在一定的压强将落下，：膨胀机有移动部分，而且在一定的压强将落下，温度愈低时，所获得的温度降落愈小。温度愈低时，所获得的温度降落愈小。第3页/共16页卡皮查综合

4、降温法卡皮查综合降温法卡皮查于卡皮查于19341934年将上述两种过程结合起来制成了氦的液年将上述两种过程结合起来制成了氦的液化机。化机。他是先利用绝热膨胀过程，将氦的温度降到反转温他是先利用绝热膨胀过程，将氦的温度降到反转温度以下，然后利用节流过程将氦液化的。度以下，然后利用节流过程将氦液化的。在在1Pn1Pn下氦的沸点是下氦的沸点是4.2K4.2K，它的沸点随压强降低而降，它的沸点随压强降低而降低，用抽气速度非常快的抽气机将氦的蒸汽迅速抽走，低，用抽气速度非常快的抽气机将氦的蒸汽迅速抽走，使其在低压下迅速蒸发，可使其在低压下迅速蒸发，可获得低至获得低至0.8-0.7K0.8-0.7K的低温

5、的低温。第4页/共16页三、绝热去磁制冷法三、绝热去磁制冷法磁冷却法磁冷却法 这是这是德拜德拜在在19261926年提出的一个产生年提出的一个产生1K1K以下低温的有效方法。以下低温的有效方法。绝热过程中，顺磁性固体的温度随磁场的减小而下降。绝热过程中，顺磁性固体的温度随磁场的减小而下降。抽气杜瓦瓶顺磁性固体低压气体液氦1K左右Ti线圈 将顺磁性固体放在装有将顺磁性固体放在装有低压氦气的容器内，通过低压低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温左右的低温Ti，加上磁场，加上磁场Hi（量级为（量级为10106 6A*m A*m-1-1）使顺磁）使顺磁

6、体磁化，磁化过程放出的热量体磁化，磁化过程放出的热量由液氦吸收，从而保证过程等由液氦吸收，从而保证过程等温。温。第5页/共16页 顺磁性固体磁化后，抽取低压氦气，使顺磁体绝热，然后顺磁性固体磁化后，抽取低压氦气，使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小为准静态地使磁场减小为Hf(一般为一般为0 0）顺磁体的温度降为）顺磁体的温度降为Tf 。抽气杜瓦瓶顺磁性固体低压气体液氦1K左右Ti线圈下图为在不同磁场下顺磁体的熵随温度变化的曲线。下图为在不同磁场下顺磁体的熵随温度变化的曲线。增大第6页/共16页 利用固体中顺磁离子的绝热去磁效应，可以产生利用固体中顺磁离子的绝热去磁效应，可以产生1K1K以下至以

7、下至mKmK量级的低温。量级的低温。19341934年戈特尔年戈特尔提出：利用核绝热去磁可以达到更低的低温。提出：利用核绝热去磁可以达到更低的低温。19561956年库尔梯和西蒙年库尔梯和西蒙等成功地将铜的核自旋温度降到等成功地将铜的核自旋温度降到1010-6-6K K量级。量级。2020世纪世纪8080年代中期年代中期，芬兰赫辛基技术大学小组将铜的核自，芬兰赫辛基技术大学小组将铜的核自旋温度降到旋温度降到25251010-9-9K K量级。量级。8080年代末年代末该小组由将银的核自旋温度降到该小组由将银的核自旋温度降到2 21010-9-9K K量级。量级。注意：绝热去磁制冷过程是单循环，

8、不能连续工作。第7页/共16页四、稀释制冷四、稀释制冷 19511951年年伦敦伦敦提出了提出了 3He/4He 稀释致冷的致冷新方法；稀释致冷的致冷新方法；2020世纪世纪7070年代末已实现温度为年代末已实现温度为2mK2mK；3He/4He 稀释致冷的连续运转，在许多领域得到应用。原稀释致冷的连续运转，在许多领域得到应用。原理在理在9.89.8中介绍。中介绍。五、激光致冷五、激光致冷 是是2020世纪世纪8080年代发展起来的，用这种方法在年代发展起来的，用这种方法在9090年代中年代中期就期就获得了获得了1701017010-9-9K K的低温（的低温（10.510.5中介绍）中介绍）

9、第8页/共16页 2003 2003年年9 9月，美国哈佛大学超冷原子中心的物理学月，美国哈佛大学超冷原子中心的物理学家，在实验室中用一团微型的钠原子云，创造了人造家，在实验室中用一团微型的钠原子云，创造了人造最低温度的世界纪录，达到最低温度的世界纪录，达到 510-10K(0.5nK)。这是人类历史上这是人类历史上首次首次达到绝对零度以上达到绝对零度以上nK以内以内的极端低温。的极端低温。Ch2 第8节结束第9页/共16页获得低温的常用的方法有：1、节流膨胀降温法,大小是10-11KPa-12、绝热膨胀降温法 综合法卡皮查液化机法3、绝热去磁制冷法磁冷却法4、稀释致冷法5、激光制冷法 2.8

10、获得低温的方法优点没有移动部分P一定T越低,T降落越大缺点初温须低于反转温度优点：不必经过预冷缺点：有移动部分，一定的P下T愈低所获T降落愈小。可获得低至0.8-0.7K的低温第10页/共16页（1）低温磁制冷（以下）磁制冷卡诺循环是由以下四个过程组成：:等温磁化（排放热量）:绝热退磁（温度降低）:等温退磁（吸收热量制冷）:绝热磁化（温度升高）已开发的磁材料：钆镓石榴(Gd3GaO12）)镝铝石榴石(Dy3Al5O12)、钆镓铝石榴石Gd3(Ga1-x-Al2)5O12(x=0.10.4)制冷温度:4.2K20K正在开发的磁材料：RAl2 RNi2 R:(Gd,Dy,Ho,Er)制冷温度(15K77K)第11页/共16页132412：等温磁化（排热）23：等磁场过程（温度降低）34：等温退磁（吸热制冷）41：等磁过程（温度上升）(2)高温磁制冷（20K以上）第12页/共16页绝热退磁（Adiabaticdemagnetization）冷却(3)第13页/共16页第14页/共16页可演示:磁感应强度、磁介质的熵以及温度三个物理量之间的定量关系，定性地判定顺磁性和抗磁性。绝热退磁（Adiabaticdemagnetization）冷却第15页/共16页感谢您的观看！第16页/共16页