Cryogenics adalah ilmu memproduksi dan mempelajari kondisi suhu rendah. Kata cryogenics berasal dari kata Cryos Yunani, yang berarti “dingin,” dikombinasikan dengan bentuk singkat dari kata kerja bahasa Inggris “untuk menghasilkan.” Ini telah datang berarti generasi temperatur di bawah orang-orang dari pengalaman manusia normal.
Lebih khusus, lingkungan suhu rendah disebut lingkungan cryogenic ketika suhu di bawah titik di mana gas permanen mulai mencairkan. Gas permanen adalah elemen yang biasanya ada di negara gas dan pernah diyakini tidak mungkin untuk mencairkan. Antara lain, mereka termasuk oksigen, nitrogen, hidrogen, dan helium. Asal cryogenics sebagai disiplin ilmu bertepatan dengan penemuan oleh ilmuwan abad kesembilan belas bahwa gas permanen dapat dicairkan pada suhu sangat rendah.
Akibatnya, istilah “cryogenic” berlaku untuk suhu dari sekitar -100 ° C (-148 ° F) turun ke nol mutlak (titik terdingin material bisa mencapai). Suhu bahan-padat, cair, atau gas-adalah ukuran energi yang dikandungnya. Energi yang disebabkan berbagai bentuk gerak antara atom atau molekul yang bahannya terbuat. Sebuah gas yang terdiri dari molekul-molekul yang bergerak sangat cepat, misalnya, memiliki suhu yang lebih tinggi dari satu dengan molekul yang bergerak lebih lambat.
Pada tahun 1848, fisikawan Inggris William Thomson (kemudian dikenal sebagai Lord Kelvin; 1824-1907) menunjukkan kemungkinan memiliki bahan di mana partikel telah berhenti semua bentuk gerak. Tidak adanya segala bentuk gerak akan menghasilkan tidak lengkap panas dan suhu. Thomson didefinisikan sebagai kondisi nol mutlak.
Kata-kata untuk Tahu
Nol mutlak: Suhu terendah di mana semua gerak molekul berhenti. Hal ini sama dengan -273 ° C (-459 ° F). Kelvin skala suhu: Sebuah skala suhu berdasarkan nol mutlak dengan unit, disebut kelvin, memiliki ukuran yang sama sebagai derajat Celcius. Superkonduktivitas: Kemampuan bahan untuk menghantarkan listrik tanpa perlawanan.
Arus listrik dalam cincin superkonduktor akan mengalir tanpa batas waktu jika suhu rendah (sekitar -260 ° C) dipertahankan. Penemuan Thomson menjadi dasar dari skala temperatur berdasarkan nol mutlak sebagai titik terendah. Skala yang memiliki unit ukuran yang sama seperti skala suhu Celcius tetapi disebut unit kelvin (singkatan K).
Nol mutlak direpresentasikan sebagai 0 K, di mana tingkat jangka dihilangkan dan dibaca sebagai nol kelvin. Celcius setara 0 K adalah -273 ° C, dan setara Fahrenheit adalah -459 ° F. Satu dapat mengkonversi antara Celsius dan Kelvin skala oleh salah satu persamaan berikut: ° C = K – 273 atau K = C + 273 ° Kriogenik, kemudian, berkaitan dengan memproduksi dan mempertahankan lingkungan pada suhu di bawah sekitar 173 K.
Salah satu aspek dari cryogenics melibatkan pengembangan metode untuk memproduksi dan mempertahankan suhu yang sangat rendah. Aspek lain meliputi studi tentang sifat bahan pada suhu kriogenik. Sifat mekanik dan listrik dari banyak bahan berubah sangat drastis ketika didinginkan sampai 100 K atau lebih rendah.
Misalnya, karet, plastik yang paling, dan beberapa logam menjadi sangat rapuh. Juga banyak logam dan keramik kehilangan semua perlawanan terhadap aliran listrik, fenomena yang disebut superkonduktivitas. Selain itu, helium yang didinginkan sampai sangat hampir nol mutlak (2,2 K) perubahan ke sebuah negara yang dikenal sebagai superfluiditas. Dalam keadaan ini, helium dapat mengalir melalui bagian sangat sempit tanpa gesekan.
Sejarah
Cryogenics dikembangkan pada abad kesembilan belas sebagai hasil dari upaya oleh para ilmuwan untuk mencairkan gas permanen. Salah satu yang paling sukses dari para ilmuwan ini adalah fisikawan Inggris Michael Faraday (1791-1867). Dengan 1845, Faraday telah berhasil mencairkan gas paling permanen kemudian diketahui ada.
Prosedur nya terdiri dari pendinginan gas dengan perendaman dalam bak eter dan kering es, kemudian pressurizing gas sampai cair. Enam gas, bagaimanapun, menolak setiap upaya pencairan dan dikenal pada saat itu sebagai gas permanen. Mereka oksigen, hidrogen, nitrogen, karbon monoksida, metana, dan oksida nitrat.
Gas-helium, neon, argon, kripton, dan xenon mulia-yang belum ditemukan. Dari diketahui permanen gas, oksigen dan nitrogen (konstituen utama dari udara), menerima perhatian yang besar. Selama bertahun-tahun para peneliti bekerja untuk mencairkan udara. Akhirnya, pada tahun 1877, Louis Cailletet (1832-1913) di Perancis dan Raoul Pictet (1846-1929) di Swiss berhasil memproduksi tetesan pertama udara cair.
Kemudian, pada tahun 1883, jumlah terukur pertama oksigen cair diproduksi oleh SF von Wroblewski (1845-1888) di Universitas Krakow. Oksigen ditemukan untuk mencairkan di 90 K, dan nitrogen pada 77 K. Setelah pencairan udara, ras untuk mencairkan hidrogen terjadi. James Dewar (1842-1923), seorang ahli kimia Skotlandia, berhasil pada 1898.
Ia menemukan titik didih hidrogen menjadi dingin 20 K. Pada tahun yang sama, Dewar berhasil pembekuan hidrogen, sehingga mencapai suhu terendah yang dicapai saat itu, 14 K. Sepanjang jalan, argon ditemukan (1894) sebagai pengotor dalam nitrogen cair. Agak kemudian, kripton dan xenon ditemukan (1898) selama distilasi fraksional dari argon cair.
(Distilasi pecahan dilakukan dengan mencairkan campuran gas, yang masing-masing memiliki titik didih yang berbeda. Ketika campuran diuapkan, gas dengan titik didih tertinggi menguap pertama, diikuti oleh gas dengan titik didih tertinggi kedua, dan seterusnya pada.) Setiap gas yang baru ditemukan kental pada suhu lebih tinggi dari titik didih hidrogen tetapi lebih rendah dari 173 K.
Unsur terakhir yang cair adalah gas helium. Pertama kali ditemukan pada tahun 1868 dalam spektrum Matahari dan kemudian di Bumi (1885), helium memiliki titik didih terendah dari setiap substansi yang dikenal. Pada tahun 1908, fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) akhirnya berhasil mencairkan helium pada suhu 4,2 K.
Metode memproduksi suhu cryogenic Kondisi kriogenik yang diproduksi oleh salah satu dari empat teknik dasar: konduksi panas, pendingin evaporasi, pendinginan oleh ekspansi yang cepat (efek Joule-Thomson), dan demagnetisasi adiabatik. Dua yang pertama dikenal dari segi pengalaman sehari-hari. Ketiga ini kurang dikenal tetapi umumnya digunakan dalam pendingin dan pendingin udara unit biasa, serta dalam aplikasi kriogenik.
Proses keempat digunakan terutama dalam aplikasi kriogenik dan menyediakan sarana mendekati nol mutlak. Panas konduksi adalah sebuah konsep yang relatif sederhana untuk memahami. Ketika dua benda berada dalam kontak, panas mengalir dari tubuh dengan suhu yang lebih tinggi untuk tubuh dengan suhu yang lebih rendah. Konduksi dapat terjadi antara setiap dan semua bentuk materi, apakah gas, cair, atau padat.
Hal ini penting dalam produksi suhu kriogenik dan lingkungan. Sebagai contoh, sampel dapat didinginkan sampai suhu cryogenic dengan cara merendam mereka secara langsung dalam cairan kriogenik atau dengan menempatkan mereka dalam suasana didinginkan oleh pendingin kriogenik. Dalam kedua kasus, sampel mendingin oleh konduksi (atau transfer) dari panas ke sekitarnya lebih dingin.
Proses kedua untuk memproduksi kondisi kriogenik adalah pendinginan evaporative. Manusia yang akrab dengan proses ini karena merupakan mekanisme yang tubuh kita kehilangan panas. Atom dan molekul dalam keadaan gas bergerak lebih cepat dari atom dan molekul dalam keadaan cair. Menambah energi panas ke partikel dalam cairan dan mereka akan menjadi gas.
Keringat cairan pada kulit manusia berperilaku dengan cara ini. Keringat menyerap panas tubuh, menjadi gas, dan menguap dari kulit. Sebagai hasil dari yang kehilangan panas, tubuh mendingin. Cryogens dan Boiling Points mereka Cryogenics Titik didih Cryogen ° F ° C K Oksigen -297 -183 90 Nitrogen -320 -196 77 Hidrogen -423 -253 20 Helium -452 -269 4.2 Neon -411 -246 27 Argon -302 -186 87 Kripton -242 -153 120 Xenon -161 -107 166 Dalam kriogenik, wadah cair dibiarkan menguap.
Panas dari dalam cairan digunakan untuk mengkonversi partikel di permukaan cairan ke gas. Gas tersebut kemudian dipompa pergi. Panas lebih dari cairan mengkonversi lapisan permukaan lain partikel menjadi gas, yang juga dipompa pergi. Semakin lama proses ini terus berlanjut, semakin panas dipindahkan dari tetes suhu cair dan lebih rendah.
Setelah beberapa suhu tertentu tercapai, memompa terus pada tingkat berkurang untuk mempertahankan suhu yang lebih rendah. Metode ini dapat digunakan untuk mengurangi suhu cairan apapun. Sebagai contoh, dapat digunakan untuk mengurangi suhu nitrogen cair untuk titik beku atau untuk menurunkan suhu helium cair sekitar 1 K.
Proses ketiga yang menggunakan efek Joule-Thomson, yang ditemukan oleh fisikawan Inggris James Prescott Joule (1818-1889) dan William Thomson, Lord Kelvin, pada tahun 1852. Efek Joule-Thomson tergantung pada hubungan volume (bulk atau massa), tekanan, dan suhu dalam gas. Mengubah salah satu dari tiga variabel tersebut, dan setidaknya salah satu dari dua lainnya (atau keduanya) juga akan berubah.
Joule dan Thomson menemukan, misalnya, bahwa memungkinkan gas untuk memperluas sangat pesat menyebabkan suhu turun drastis. Mengurangi tekanan pada gas menyelesaikan efek yang sama. Untuk mendinginkan gas menggunakan efek Joule-Thomson, gas yang pertama dipompa ke dalam wadah di bawah tekanan tinggi.
Wadah dilengkapi dengan katup dengan pembukaan yang sangat kecil. Ketika katup dibuka, gas lolos dari wadah dan memperluas dengan cepat. Pada saat yang sama, suhu turun. Keberhasilan besar pertama untuk efek Joule-Thomson di cryogenics dicapai oleh Kamerlingh Onnes pada tahun 1908 ketika ia cair helium.
Efek Joule-Thomson adalah bagian penting dari kehidupan kita hari ini, meskipun kita mungkin tidak menyadari hal itu. Kulkas rumah tangga biasa dan AC beroperasi pada prinsip ini. Pertama, gas bertekanan dan didinginkan sampai suhu menengah melalui kontak dengan gas dingin atau cair. Kemudian, gas diperluas, dan suhunya turun lebih jauh.
Panas yang dibutuhkan untuk menjaga operasi siklus ini berasal dari bagian dalam lemari es atau interior ruangan, menghasilkan efek pendinginan yang diinginkan. Proses keempat untuk menghasilkan suhu kriogenik menggunakan fenomena yang dikenal sebagai demagnetisasi adiabatik. Demagnetisasi adiabatik membuat penggunaan bahan khusus yang dikenal sebagai garam paramagnetik.
Sebuah garam paramagnetik terdiri dari koleksi yang sangat besar partikel yang bertindak seperti kecil (atom berukuran) magnet. Biasanya partikel magnetik tersebar ke segala arah yang mungkin. Akibatnya, garam itu sendiri tidak magnetik. Kondisi tersebut berubah ketika garam ditempatkan di antara kutub magnet.
Medan magnet magnet menyebabkan semua partikel magnetik kecil dalam garam untuk berbaris ke arah yang sama. Garam menjadi magnet, juga. Pada saat yang tepat ini, bagaimanapun, anggaplah bahwa magnet eksternal diambil dan garam paramagnetik ditempatkan dalam cairan. Hampir segera, partikel magnetik kecil dalam pengembalian garam acak mereka, setiap-yang-cara kondisi.
Untuk membuat perubahan ini, namun, partikel memerlukan masukan energi. Dalam contoh ini, energi yang diambil dari cairan ke dalam garam yang ditempatkan. Sebagai cairan memberikan energi untuk garam paramagnetik, suhunya turun. Demagnetisasi adiabatik telah digunakan untuk memproduksi beberapa suhu terdingin yang pernah diamati-dalam beberapa seperseribu dari kelvin derajat nol mutlak.
Sebuah proses terkait yang melibatkan magnetisasi dan demagnetisasi dari inti atom dikenal sebagai demagnetisasi nuklir. Dengan demagnetisasi nuklir, suhu dalam beberapa sepersejuta derajat nol mutlak telah tercapai. Aplikasi Setelah pencairan sukses helium pada tahun 1908, Kamerlingh Onnes mengalihkan perhatiannya untuk mempelajari sifat bahan lainnya pada suhu yang sangat rendah.
Properti pertama yang diselidiki adalah hambatan listrik dari logam. Hambatan listrik adalah kecenderungan suatu zat untuk mencegah aliran arus listrik melalui itu. Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa hambatan listrik cenderung menurun dengan menurunnya suhu. Mereka beranggapan bahwa perlawanan sepenuhnya akan menghilang pada nol mutlak.
Penelitian di bidang ini memiliki kepentingan praktis besar. Semua peralatan listrik (oven, toaster, televisi, dan radio, misalnya) beroperasi dengan efisiensi rendah karena begitu banyak energi yang terbuang dalam mengatasi hambatan listrik. Sebuah alat tanpa hambatan listrik dapat beroperasi dengan biaya yang jauh kurang dari peralatan yang ada.
Apa Onnes menemukan, bagaimanapun, adalah bahwa untuk beberapa logam, hambatan listrik turun menjadi nol sangat tiba-tiba pada suhu di atas nol mutlak. Efek ini disebut superkonduktivitas dan memiliki beberapa aplikasi yang sangat penting di dunia saat ini. Misalnya, superkonduktor digunakan untuk membuat magnet untuk akselerator partikel (perangkat yang digunakan, antara lain, untuk mempelajari partikel subatomik seperti elektron dan proton) dan untuk magnetic resonance imaging (MRI) sistem (alat diagnostik yang digunakan di banyak rumah sakit).
Penemuan superkonduktivitas menyebabkan para ilmuwan lain untuk mempelajari berbagai sifat material pada suhu kriogenik. Hari ini, fisika, kimia, ilmuwan material, dan ahli biologi mempelajari sifat-sifat dari logam, serta sifat-sifat isolator, semikonduktor, plastik, komposit, dan jaringan hidup. Selama bertahun-tahun, penelitian ini telah menghasilkan identifikasi sejumlah sifat yang berguna.
Salah satu kekayaan tersebut yang paling umum untuk bahan yang mengalami suhu yang sangat rendah adalah kerapuhan. Industri daur ulang mengambil keuntungan dari hal ini dengan merendam daur ulang dalam nitrogen cair, setelah itu mereka mudah ditumbuk dan dipisahkan untuk daur ulang. Masih properti lain bahan kriogenik yang kadang-kadang berguna adalah bahwa kontraksi termal.
Bahan menyusut ketika didinginkan. Untuk titik (sekitar suhu nitrogen cair), yang lebih dingin material mendapat semakin menyusut. Contohnya adalah penggunaan nitrogen cair dalam perakitan beberapa mesin mobil. Dalam rangka untuk mendapatkan cocok sangat ketat ketika menginstal kursi katup, misalnya, kursi didinginkan sampai suhu nitrogen cair, dimana mereka kontrak dan mudah dimasukkan dalam kepala mesin.
Ketika mereka pemanasan, hasil sempurna. Cairan kriogenik juga digunakan dalam program luar angkasa. Misalnya, bahan kriogenik digunakan untuk mendorong roket ke ruang angkasa. Sebuah tangki hidrogen cair menyediakan bahan bakar untuk dibakar dan tangki kedua oksigen cair disediakan untuk pembakaran. Aplikasi ruang lain cryogenics adalah penggunaan helium cair untuk mendinginkan mengorbit teleskop inframerah.
Teleskop inframerah mendeteksi benda-benda di ruang angkasa tidak dari cahaya mereka memberikan off tapi dari radiasi inframerah (panas) mereka memancarkan. Namun, pengoperasian teleskop itu sendiri juga memberikan dari panas. Apa yang dapat dilakukan untuk mencegah instrumen dari yang dibutakan oleh panas sendiri untuk radiasi inframerah dari bintang-bintang? Jawabannya adalah untuk mendinginkan bagian dari teleskop dengan helium cair. Pada suhu helium cair (1,8 K) teleskop dapat dengan mudah mengambil radiasi inframerah dari bintang-bintang, yang suhu sekitar 3 K.