4 способа использования криогенного гелия

Гелий — это газ, свойства которого делают его полезным для самых разных целей: от охлаждения до обеспечения подъемной силы дирижаблей. Понимая основы его криогенных принципов, мы можем понять, как работает этот газ и как он используется.

Аспекты криогенной науки возникли в экспериментах Фарадея и Джоуля в начале XIX века. Криогеника предполагает воздействие на материалы чрезвычайно низких температур, обычно ниже -150 °C.

Использование криогенных жидкостей, таких как жидкий азот или жидкий гелий, позволило нам безопасно достигать экстремальных температур, не беспокоясь об опасности возгорания, связанной с высокотемпературными процессами. Эти вещества играют неотъемлемую роль при работе над любым проектом, связанным с холодными условиями.

Гелий обладает множеством свойств, которые можно использовать в криогенных процессах. Его точка кипения ниже, чем у большинства других элементов, что делает его пригодным для быстрого и эффективного достижения очень низких температур.

Процесс также остается безопасным благодаря своей нетоксичности. Неудивительно, что так много отраслей все больше полагаются на криогенные принципы и применение гелия.

Криогеника занимается производством и поведением материалов при чрезвычайно низких температурах. Диапазон температур криогенных жидкостей, таких как гелий, составляет от -271,15°C до -196°C. В криогенных приложениях используются такие свойства, как повышенная прочность, улучшенная электропроводность и улучшенная теплоизоляция в этих низкотемпературных средах.

Принципы криогенной технологии включают контроль скорости охлаждения. Это делается путем использования температур кипения и скорости испарения для достижения желаемого диапазона температур. В некоторых случаях это предполагает использование механических хладагентов или даже жидкого азота для быстрого охлаждения материалов до минусовых температур. Манипулируя окружающей средой, материал можно охладить до температуры ниже комнатной, не меняя его физического состояния с твердого на жидкое.

Однако не все материалы одинаково реагируют на воздействие экстремальных холодов. Например, гелий остается газом независимо от того, насколько сильно он охлажден, а вода превращается в лед при 0°C. Понимание уникальных характеристик каждого материала при различных температурах помогает ученым определить, какие вещества наиболее подходят для конкретных криогенных применений.

Гелий — это элемент, который имеет два встречающихся в природе изотопа: гелий-3 и гелий-4. Гелий-4 является наиболее распространенным из этих двух изотопов, составляя примерно 99,9% всех природных атомов гелия на Земле.

Он обладает рядом уникальных свойств, которые сделали его незаменимым в криогенных приложениях.

При охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273°С), жидкий гелий проявляет сверхтекучесть — состояние, при котором его вязкость падает до нуля и он может течь без всякого сопротивления. Это свойство позволяет небольшим объектам, погруженным в жидкий гелий, двигаться быстрее, чем в обычных условиях гравитации, что делает их полезными для научных исследований.

Кроме того, низкая температура конденсации делает гелий идеальным для снижения давления в некоторых промышленных процессах, таких как криогеника и производство полупроводников.

Другие ключевые характеристики гелия включают:

Гелий играет важную роль во многих отраслях и областях, включая аэрокосмическую, атомную энергетику, медицинскую визуализацию и производство электроники. Понимание того, как различные элементы ведут себя при экстремальных температурах и давлениях, помогает ученым лучше понять фундаментальные физические законы, управляющие нашей Вселенной. Это приближает нас к раскрытию тайн природы самой материи.

Криогенные температуры достигаются за счет использования гелия в качестве охлаждающего агента. Чтобы поддерживать такие чрезвычайно низкие температуры, криогенные системы должны быть герметизированы и изолированы от внешних источников тепла. Это позволяет им оставаться при стабильной температуре, сохраняя при этом обмен энергией между различными компонентами.