热力学与统计物理汪志城第四版2章8节讲义学习教案.pptx

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1、会计学1热力学与统计热力学与统计(tngj)物理物理汪志城汪志城第四版第四版2章章8节讲义节讲义第一页,共16页。一、节流降温法一、节流降温法一、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。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。焦焦焦焦汤效应汤效应汤效应汤效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)的典型大小是的典型大小是的典型大小是的典型大小是10-1-1KPn-110-1-1KPn-110-1-1KPn-110-1-1KPn-1。两个优点:两个优点:两个优点:两个优点:装

2、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)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)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)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)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。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: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。解决办法是:解决办法是:使节流过程重复进行使节流过程重复进行(jnxng)

3、(jnxng),并通过逆流交换器使节流膨胀降温后的气,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体对后进来的气体进行(jnxng)(jnxng)预冷,把各次节流膨胀所获得的冷却效预冷,把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。应积累起来。18951895年林德利用此法成功地将空气液化,故此发也叫林德法。年林德利用此法成功地将空气液化,故此发也叫林德法。第1页/共16页第二页,共16页。几种几种(jzhn)气体的反转温度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

4、33.120.4He 43 5.2 4.2第2页/共16页第三页,共16页。二、绝热膨胀降温法二、绝热膨胀降温法二、绝热膨胀降温法二、绝热膨胀降温法 气体经绝热膨胀后,温度总是气体经绝热膨胀后,温度总是气体经绝热膨胀后,温度总是气体经绝热膨胀后,温度总是(zn sh)(zn sh)(zn sh)(zn sh)降低的。降低的。降低的。降低的。优点:不必经过预冷。优点:不必经过预冷。优点:不必经过预冷。优点:不必经过预冷。使气体重复经过绝热膨胀过程而降温,并利用逆流热交换器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使气体重复经过绝热膨胀

5、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的温度降到临界点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。一下而液化。一下而液化。一下而液化。克劳德法就是以此为基础的。克劳德法就是以此为基础的。克劳德法就是以此为基础的。克劳德法就是以此为基础的。缺点:膨胀机有移动部分,而且在一定的压强将落下,温度愈低时,缺点:膨胀机有移动部分,而且在一定的压强将落下,温度愈低时,缺点:膨胀机有移动部分,而且在一定的压强将落下,温度愈低时,缺点:膨胀机有移动部分

6、,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。所获得的温度降落愈小。所获得的温度降落愈小。所获得的温度降落愈小。第3页/共16页第四页,共16页。n n卡皮查综合降温法卡皮查综合降温法卡皮查综合降温法卡皮查综合降温法n n卡皮查于卡皮查于卡皮查于卡皮查于1934193419341934年将上述两种过程结合起来制成了氦的液化机。年将上述两种过程结合起来制成了氦的液化机。年将上述两种过程结合起来制成了氦的液化机。年将上述两种过程结合起来制成了氦的液化机。n n 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,然他是先利用绝热膨

7、胀过程,将氦的温度降到反转温度以下,然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。后利用节流过程将氦液化的。后利用节流过程将氦液化的。后利用节流过程将氦液化的。n n 在在在在1Pn1Pn1Pn1Pn下氦的沸点是下氦的沸点是下氦的沸点是下氦的沸点是4.2K4.2K4.2K4.2K,它的沸点随压强降低,它的沸点随压强降低,它的沸点随压强降低,它的沸点随压强降低(jingd)(jingd)(jingd)(jingd)而降而降而降而降低低低低(jingd)(jingd)(jingd)(jingd),用抽气速度非常快的抽气机将氦的蒸汽迅速抽走,用抽气速度非常快的抽气

8、机将氦的蒸汽迅速抽走,用抽气速度非常快的抽气机将氦的蒸汽迅速抽走,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,可获得低至使其在低压下迅速蒸发,可获得低至使其在低压下迅速蒸发,可获得低至使其在低压下迅速蒸发,可获得低至0.8-0.7K0.8-0.7K0.8-0.7K0.8-0.7K的低温。的低温。的低温。的低温。第4页/共16页第五页,共16页。三、绝热去磁制冷法三、绝热去磁制冷法磁冷却磁冷却(lngqu)(lngqu)法法 这是德拜在这是德拜在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

9、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低压将顺磁性固体放在装有低压氦气的容器内,通过低压氦气与液氦气的容器内,通过低压氦气与液氦的接触而保持在氦的接触而保持在1K1K左右的低温左右的低温TiTi,加上磁场,加上磁场HiHi(量级为(量级为106A*m-106A*m-1 1)使顺磁体磁化,磁化过程放出)使顺磁体磁化,磁化过程放出的热量的热量(rling)(rling)由液氦吸收,从由液氦吸收,从而保证过程等温。而保证过程等温。第5页/共16页第六页,共16页。顺磁性固体磁化顺磁性固体磁化(chu)(ch

10、u)后,抽取低压氦气,使顺磁体绝后,抽取低压氦气,使顺磁体绝热,然后准静态地使磁场减小为热,然后准静态地使磁场减小为Hf(Hf(一般为一般为0 0)顺磁体的温度)顺磁体的温度降为降为Tf 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图为在不同磁场(cchng)下顺磁体的熵随温度变化的曲线。下顺磁体的熵随温度变化的曲线。增大(zn d)第6页/共16页第七页,共16页。利用固体利用固体(gt)(gt)中顺磁离子的绝热去磁效应,可以产生中顺磁离子的绝热去磁效应,可以产生1K1K以下至以下至mKmK量量级的低温。级的低温。1934 1934年戈特尔提出:利用核绝热去磁可

11、以年戈特尔提出:利用核绝热去磁可以(ky)(ky)达到更低的低温。达到更低的低温。1956 1956年库尔梯和西蒙等成功地将铜的核自旋年库尔梯和西蒙等成功地将铜的核自旋(z xun)(z xun)温度降到温度降到10-6K10-6K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,不能连续工作。注意:绝热去磁制冷过程是

12、单循环,不能连续工作。第7页/共16页第八页,共16页。四、稀释制冷四、稀释制冷 1951 1951年伦敦提出了年伦敦提出了 3He/4He 3He/4He 稀释致冷的致冷新方法;稀释致冷的致冷新方法;20 20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 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年代中期年代中期(zhngq)(zhngq)就获得了

13、就获得了17010-9K17010-9K的低温(的低温(10.510.5中介绍)中介绍)第8页/共16页第九页,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家,在实月,美国哈佛大学超冷原子中心的物理学家,在实验室中用一团验室中用一团(y tun)(y tun)微型的钠原子云,创造了人造最低温微型的钠原子云,创造了人造最低温度的世界纪录,达到度的世界纪录,达到 510-10K(0.5nK)510-10K(0.5nK)。这是人类历史上首次达到绝对零度以上这是人类历史上首次达到绝对零度以上nKnK以内的极端低温。以内的极端低温。Ch2 第8节结束(jish)第9页/共1

14、6页第十页,共16页。n n获得低温的常用的方法有:获得低温的常用的方法有:获得低温的常用的方法有:获得低温的常用的方法有:n n1 1、节流膨胀降温法、节流膨胀降温法、节流膨胀降温法、节流膨胀降温法,大小是大小是大小是大小是10-11KPa-110-11KPa-1n n2 2、绝热膨胀降温法、绝热膨胀降温法、绝热膨胀降温法、绝热膨胀降温法n n 综合法综合法综合法综合法卡皮查液化机法卡皮查液化机法卡皮查液化机法卡皮查液化机法n n3 3、绝热去磁制冷、绝热去磁制冷、绝热去磁制冷、绝热去磁制冷(zhlng)(zhlng)法法法法磁冷却法磁冷却法磁冷却法磁冷却法n n4 4、稀释致冷法、稀释致冷

15、法、稀释致冷法、稀释致冷法n n5 5、激光制冷、激光制冷、激光制冷、激光制冷(zhlng)(zhlng)法法法法2.8获得低温获得低温(dwn)的方法的方法优点优点(yudin)没有移动部分没有移动部分P一定一定T越低越低,T降落越大降落越大缺点缺点初温须低于反转温度初温须低于反转温度优点优点:不必经过预冷:不必经过预冷缺点缺点:有移动部分,一定的:有移动部分,一定的 P下下T愈低所获愈低所获T降落愈小。降落愈小。可可获得低至获得低至0.8-0.7K的低温的低温第10页/共16页第十一页,共16页。(1)低温)低温(dwn)磁制冷(磁制冷(以下)以下)磁制冷卡诺循环是由以下四个过程组成:磁制

16、冷卡诺循环是由以下四个过程组成:磁制冷卡诺循环是由以下四个过程组成:磁制冷卡诺循环是由以下四个过程组成::等温磁化(排放热量等温磁化(排放热量等温磁化(排放热量等温磁化(排放热量(rling)(rling)):绝热退磁(温度降低)绝热退磁(温度降低)绝热退磁(温度降低)绝热退磁(温度降低):等温退磁(吸收热量等温退磁(吸收热量等温退磁(吸收热量等温退磁(吸收热量(rling)(rling)制冷)制冷)制冷)制冷):绝热磁化(温度升高)绝热磁化(温度升高)绝热磁化(温度升高)绝热磁化(温度升高)已开发的磁材料已开发的磁材料已开发的磁材料已开发的磁材料 :钆镓石榴:钆镓石榴:钆镓石榴:钆镓石榴(G

17、d3GaO12(Gd3GaO12))镝铝石榴石镝铝石榴石镝铝石榴石镝铝石榴石(Dy3Al5O12)(Dy3Al5O12)、钆镓铝石榴石、钆镓铝石榴石、钆镓铝石榴石、钆镓铝石榴石Gd3(Ga1-x-Al2)5O12(x=0.10.4)Gd3(Ga1-x-Al2)5O12(x=0.10.4)制冷温度制冷温度制冷温度制冷温度:4.2K20K:4.2K20K正在开发的磁材料:正在开发的磁材料:正在开发的磁材料:正在开发的磁材料:RAl2 RNi2 RAl2 RNi2 R:(Gd,Dy,Ho,Er)R:(Gd,Dy,Ho,Er)制冷温度制冷温度制冷温度制冷温度(15K77K)(15K77K)第11页/共

18、16页第十二页,共16页。132412:等:等温磁化温磁化(chu)(排热)(排热)23:等磁场过程(温度:等磁场过程(温度(wnd)降低)降低)34:等温退磁(吸热:等温退磁(吸热(x r)制制冷)冷)41:等磁过:等磁过程(温度上升)程(温度上升)(2)高温磁制冷高温磁制冷(20K以上)以上)以上)以上)第12页/共16页第十三页,共16页。绝热退磁绝热退磁(tuc)(Adiabaticdemagnetization)冷却)冷却(3)第13页/共16页第十四页,共16页。第14页/共16页第十五页,共16页。可演示可演示:磁感应强度、磁感应强度、磁介质的熵以磁介质的熵以及温度三个物及温度三个物理量之间的定理量之间的定量量(dngling)关系,定性地关系,定性地判定顺磁性和判定顺磁性和抗磁性。抗磁性。绝热退磁绝热退磁(tuc)(Adiabaticdemagnetization)冷却)冷却第15页/共16页第十六页,共16页。

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