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低溫技術不僅與人們當代高質量生活息息相關,同時與世界上許多尖端科學研究(諸如超導電技術、航天與航空技術、高能物理、受控熱核聚變、遠紅外探測、精密電磁計量、生物學和生命科學等)密不可分。在超低溫條件下,物質的特性會出現奇妙的變化,空氣變成了液體或固體,生物細胞或組織可以長期貯存而不死亡,導體的電阻消失了——超導電現象而磁力線不能穿過超導體——完全抗磁現象,液體氦的黏滯性幾乎為零——超流現象,而導熱性能比高純銅還好。
下面我們將以通俗易懂的方式介紹低溫趣事、低溫技術的應用和低溫產生。自然界低溫大多數人知道,水的冰點是0℃(以下溫度凡未說明都以攝氏度計),比人的體溫低37度。在我國領土的最北端漠河,冬天最低溫度可達零下50-60度,當飛機在8,000米高空飛行時,高空的氣溫低達零下80多度,而地球南極的冬天氣溫可低達零下90度。在太空,遠離太陽,接收太陽光的熱愈少,則溫度愈低。月球背陽面的溫度為零下160多度,而冥王星溫度是零下229度。在遠離恒星的遼闊無際的超冷區域,大體溫度是零下270度。
物態/物性與溫度的關系,在夏天奔瀉呼嘯的黃河到冬天可以走汽車,人們天天呼吸的空氣到零下196度都會變成液體,如果進一步降溫到零下217度,則空氣也凍成了堅硬的固體??傊?,隨著溫度降低,人們生存必需的氧氣,用于電弧焊接保護的氬氣,占空氣77%的氮氣,充霓虹燈的氖氣和充灌氣球的氫氣都相繼液化和凍結。氦氣是最后被液化的氣體,在大氣中氦氣含量不到百萬分之一,原先只在太陽光譜中發現氦的譜線,后來在鈾礦和天然氣中發現地球上也有,由于它的液化溫度低,直到20世紀初才被液化,液氦在大氣壓下無論如何降溫也不凍結成固體,只有在25大氣壓以上才會凝結成固體。
由上面的敘述可見,隨著溫度降低,室溫時的氣態物質可以轉化成液態、固態。如果升高溫度(數百萬度),氣態可以轉化為等離子態,所有原子和分子游離成帶電的電子和正離子,人們稱等離子態為物質的第四態。一些金屬、合金、金屬間化合物和氧化物,當溫度低于臨界溫度時出現超導電性(即零電阻現象)和完全抗磁性(把磁力線完全排除出體外現象)。液氦溫度低于零下271度時還出現超流現象,液體的黏滯度幾乎為零,杯子內的液氦會沿器壁爬到杯子下面,液體的傳熱系數比銅還好。上述兩種現象可稱為超導態和超流態,人們把超導態和超流態稱為物質的第五態。
那么低溫是否有盡頭?對此問題英國科學家開爾文在1848年已做了回答,從理想氣體的壓力、體積與溫度的關系式,他推論絕對溫標的0度是低溫的盡頭。所謂絕對0度,即攝氏零下273.15度(記為0K,絕對溫度=攝氏溫度+273.1),正如理論上所說它是分子運動完全停止的溫度。在自然界,運動是物質存在的形式,運動是物質的固有屬性,要物質的熱運動完全停止是辦不到的,但人們可以不斷地接近絕對零度。有報道說,最低的溫度記錄是3.3‘10-8K。隨著溫度降低金屬材料的長度會縮短,導電性和機械強度提高,比熱減小,熱導率也有大的。
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