WikiSysop: Bot: Automatski unos stranica

2021-10-13T22:23:06Z

Bot: Automatski unos stranica

Nova stranica

[[datoteka:Liquidnitrogen.jpg|mini|desno|250px|Tekući dušik.]]

[[datoteka:CelsiusKelvin.svg|mini|250px|desno|[[Apsolutna nula]] iznosi −273,15 [[°C]] ili 0 [[Kelvin|K]].]]

[[datoteka:Liquid helium Rollin film.jpg|mini|desno|250px|[[Supratekućina|Suprafluidni]] [[helij]] koji se nalazi u gornjoj posudi će pomalo isticati iz nje, kap po kap, sve dok se ne isprazni.]]

[[datoteka:Magnet 4.jpg|mini|desno|250px|[[Magnet]] koji lebdi iznad [[supravodljivost|supravodiča]] zbog [[Meissnerov učinak|Meissnerovog učinka]] ([[Walther Meissner]]).]]

[[datoteka:Cryogenic carbon steel socket weld globe valve.jpg|mini|desno|150px|[[Ventil]] za niske temperature.]]

[[datoteka:Coldbox.JPG|mini|desno|250px|Danas se od plinova najviše ukapljuje [[zrak]], iz kojega se [[Frakcijska destilacija|frakcijskom destilacijom]] izdvaja [[kisik]] za metalnu i kemijsku industriju, [[dušik]], koji se u kapljevitom stanju koristi za postizanje niskih temperatura, te plemeniti plinovi, prije svega [[argon]].]]

'''Niskotemperaturna fizika''' ili '''kriofizika''' ([[Starogrčki jezik|grč]]. ''ϰρύος'': studen, mraz + fizika) je grana [[fizika|fizike]] koja se bavi proučavanjem [[tvar]]i i pojava na niskim [[temperatura]]ma, obično nižima od 77,3 [[Kelvin|K]] ili -195,79 [[celzij|°C]] ([[vrelište]] [[dušik]]a), a najviše se bavi [[Supratekućina|suprafluidnošću]] i [[Supravodljivost|supravodljivošću]]. Razvija se otkako je [[Heike Kamerlingh Onnes]] uspio ukapljiti [[helij]] (1908.). U Institutu za fiziku [[Sveučilište u Zagrebu|Sveučilišta u Zagrebu]] niskotemperaturna svojstva [[Krutine|čvrstih tvari]] istražuju se od 1964. Na Fizičkom odsjeku [[Prirodoslovno-matematički fakultet u Zagrebu|Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu]], korištenjem <sup>3</sup>He kriostata (od 2003.) mogu se ostvariti [[pokus]]i do temperatura od 250 mK. [[Atom]]ske pare mogu se [[laser]]skim metodama ohladiti na još niže temperature. <ref> '''kriofizika (niskotemperaturna fizika)''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=33975] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.</ref>

== Povijest ==
[[Supravodljivost]] je 1911. otkrio [[Heike Kamerlingh Onnes]] dok je proučavao ovisnost električnoga otpora [[živa|žive]] o temperaturi. Primijetio je da na temperaturama nižima od 4.2 [[Kelvin|K]] (-269 °C) električni otpor pada na nemjerljivo malu vrijednost. Zbog supravodljivosti će, na primjer, u [[Olovo (element)|olovnom]] prstenu uronjenom u ukapljeni [[helij]], [[Istosmjerna struja|istosmjerna električna struja]] nastaviti teći i [[godina]]ma nakon što se izvor struje isključi. Walther Meissner je 1933. otkrio da se [[metal]]i ohlađeni do supravodljivoga stanja ponašaju kao savršeni dija[[magnet]]i, tj. u tankom površinskom sloju [[Električni induktivitet|induciraju]] se struje koje stvaraju takvo [[magnetno polje]] koje poništava vanjsko polje, te je u unutrašnjosti supravodiča magnetno polje jednako nuli. Ako se na primjer na materijal koji može biti supravodljiv na temperaturama višima od 100 K postavi lagani magnet i ako se materijal polije ukapljenim [[dušik]]om, magnet će se podići iznad njega i lebdjeti.

Supravodljivo stanje određuju tri čimbenika svojstvena svakoj tvari: kritična [[temperatura]], kritična [[magnetska indukcija]] i kritična [[gustoća]] električne struje. Ako je samo jedan od tih triju čimbenika veći od kritične vrijednosti, tvar ne može biti u supravodljivom stanju. Supravodiči se mogu podijeliti na:
* supravodiče prve vrste, koji su bili prvi otkriveni i uglavnom su čisti [[Kemijski element|kemijski elementi]], a koji naglo prelaze u supravodljivo stanje i magnetsko polje ne prodire u njihovu unutrašnjost, i
* supravodiče druge vrste, koji su nađeni poslije, uglavnom su [[kemijski spoj]]evi i [[slitine]], postupno prelaze u supravodljivo stanje, a u djelomično supravodljivom stanju u njima se oblikuju magnetski vrtlozi. <ref> '''supravodljivost''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=58849] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.</ref>

== Apsolutna nula ==
{{Glavni|Apsolutna nula}}

'''Apsolutna nula''' temperature je [[temperatura]] na kojoj [[termodinamika|termodinamički]] sustav ima najmanju [[energija|energiju]]. Izražena [[Temperatura |termodinamičkom temperaturom]] apsolutna nula temperature iznosi nula [[kelvin]]a (0 K), a [[Celzij]]evom temperaturom –273,15 °C. Pojam proizlazi iz [[Charlesov zakon|Charlesova zakona]] ovisnosti [[tlak]]a [[plin]]a o temperaturi uz stalni [[obujam]] ([[plinski zakoni]]). Rezultati tih mjerenja prikazani u t,p-koordinatnom sustavu (na apscisu se nanosi temperatura ''t'', a na ordinatu tlak ''p'') leže na pravcu. Taj pravac siječe apscisu na temperaturi od – 273,15 °C pa bi uz pretpostavku da isti zakon vrijedi i za vrlo niske temperature tlak plina na temperaturi od – 273,15 °C bio jednak nuli. Za još niže temperature produljivanjem tog pravca dobio bi se negativni tlak, što nije moguće. Time se došlo do zaključka da temperatura niža od – 273,15 °C nije moguća.

[[Charlesov zakon]] zapravo je samo približan i ne vrijedi za niske temperature jer snižavanjem temperature dolazi do [[kondenzacija|kondenzacije]] plina u tekućinu, ali je ispravno predviđanje apsolutne nule izvedeno iz tog zakona. Na apsolutnoj nuli temperature u tijelu ne bi potpuno prestala sva molekulska gibanja ([[kinetička teorija plinova]]), nego samo ona koja bi se mogla prenositi u obliku [[toplina|topline]] na druga tijela. Zakoni [[Kvantna mehanika|kvantne fizike]] ne dopuštaju [[molekula]]ma tvari da potpuno miruju, nego se one na toj temperaturi statistički raspoređuju po stanjima najmanjih [[brzina]], pa se točna vrijednost apsolutne nule temperature određuje kao temperatura na kojoj je energija tijela najmanja. <ref> '''apsolutna nula temperature''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=3429] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.</ref>

== Supratekućina ==
{{Glavni|Supratekućina}}

'''Supratekućina''' ili '''suprafluidnost''' je naziv za [[agregatno stanje]] koje nastaje u nekim [[Ukapljivanje plinova|ukapljenim plinovima]] na vrlo niskim [[temperatura]]ma (2,17 [[kelvin|K]] za [[helij]]ev izotop <sup>4</sup>He), a svojstveni su mu nestanak [[viskoznost]]i i beskonačno velika [[toplinska vodljivost]]. Pored toga približavanjem temperaturi prijelaza (tzv. '''lambda točka''') [[specifični toplinski kapacitet]] također teži k beskonačno velikoj vrijednosti.

Suprafluidnost je stanje [[Ukapljeni plin|ukapljenoga]] [[helij]]a koje se očituje gibanjem [[tekućine]] [[Viskoznost|bez trenja]] na ekstremno niskoj [[temperatura|temperaturi]] uz očuvana adhezijska svojstva. Otkrio ju je 1937. [[Pjotr Leonidovič Kapica]], a neovisno o njemu otkrili su je iste godine [[Donald Misener]] i [[John Frank Allen]] proučavajući pojave do kojih dolazi kada se helij ohladi na temperaturu nižu od 2,17 [[Kelvin|K]]. Ako se u suprafluidni helij djelomično uroni prazna posuda, po njezinim će se stijenkama u tankom sloju (do 30 [[metar|nm]]) helij penjati i spuštati u posudu sve dok se razina helija u posudi ne izjednači s razinom okolnoga helija; ako se [[Kapilarnost|kapilarna]] cjevčica jednim krajem uroni u suprafluidni helij i osvijetli, na njezinu će gornjem kraju istjecati helij poput vodoskoka visoka do 10 [[centimetar]]a (takozvani učinak vodoskoka). [[Danska]] [[fizičar]]ka [[Lena Hau]] uspjela je 1999. u suprafluidu [[brzina svjetlosti|usporiti svjetlost]] do brzine 17 [[Metar u sekundi|m/s]], a 2001. uspjela ju je zaustaviti.

== Supravodljivost ==
{{Glavni|Supravodljivost}}

'''Supravodljivost''' je stanje pojedinih [[tvar]]i koje se na niskim [[temperatura]]ma očituje u nestanku njihova [[Električni otpor|električnoga otpora]], prolasku [[električna struja|električne struje]] kroz tanku [[izolator]]sku barijeru unutar njih bez električnoga otpora ('''Josephsonov učinak''' - [[Brian Josephson]]) i lebdenju [[magnet]]a iznad njihove površine ('''Meissnerov učinak''' - [[Walther Meissner]]). <ref> '''supravodljivost''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=58849] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.</ref> Supravodǉivost je [[kvantna mehanika|kvantnomehanička]] pojava i ne može se objasniti [[Klasična mehanika|klasičnom fizikom]]. Tipično nastaje u nekim [[materijal]]ima na jako niskim [[temperatura]]ma (nižim od -200 [[°C]]).

=== BCS-teorija ===
{{Glavni|BCS-teorija}}

'''BCS-teorija''' ili '''Bardeen-Cooper-Schriefferova teorija''' je prva mikroskopska teorija supravodljivosti (1957.). Polazi od pretpostavke da na vrlo niskim [[temperatura]]ma u [[Kristalna rešetka|kristalnoj rešetki]] supravodiča privlačno međudjelovanje [[elektron]]–rešetka–elektron nadjačava odbojnu [[Coulombov zakon|električnu silu među elektronima]], tj. da elektroni pri prolasku kroz rešetku privlače njezine [[ion]]e, što rezultira povećanjem gustoće [[Električni naboj|pozitivnog naboja]] u tom području i, dok se rešetka ne vrati u ravnotežno stanje, privlači druge elektrone. U takvim uvjetima elektroni kojima su [[spin]]ovi i [[Količina gibanja|količine gibanje]] suprotni gibaju se u parovima ('''Cooperovi parovi'''), a svaki par elektrona na međusobnoj udaljenosti od približno 100 [[metar|nm]] giba se kroz kristalnu rešetku bez gubitka [[energija|energije]] i može [[tuneliranje|tunelirati]] kroz [[izolator]]sku barijeru. Porastom temperature [[atom]]i rešetke sve jače [[titranje|titraju]], iznad kritične temperature razdvajaju elektronske parove, elektroni se više ne mogu gibati bez gubitaka i pojavljuje se [[električni otpor]]. Za razvoj BCS-teorije John Bardeen, [[Leon Neil Cooper]] i [[John Robert Schrieffer]] dobili su [[Nobelova nagrada za fiziku|Nobelovu nagradu za fiziku]] 1972. <ref> '''BCS-teorija''', [http://www.enciklopedija.hr//natuknica.aspx?ID=6445] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.</ref>

== Ukapljivanje plinova ==
{{Glavni|Ukapljivanje plinova}}

'''Ukapljivanje plinova''' ili '''likvefakcija''' je prevođenje [[plin]]ova u kapljevito (tekuće) [[agregatno stanje]]. Provodi se ponajviše radi lakšega [[prijevoz]]a i skladištenja plinova, te za postizanje niskih temperatura. Plinovi se mogu ukapljiti [[hlađenje]]m, [[Kompresor|kompresijom]] ili kombinacijom tih postupaka. Pritom značajnu ulogu imaju kritični [[tlak]] i kritična [[temperatura]], svojstveni svakomu plinu posebno. Ukapljivanje samo kompresijom pri stalnoj temperaturi uspijeva ako je ta temperatura niža od kritične, a samo hlađenjem pri stalnom tlaku ako je tlak niži od kritičnoga. Tako će [[zrak]] pri stalnom [[Atmosferski tlak|atmosferskom tlaku]] prijeći iz plinovitog u kapljevito agregatno stanje kada ga se ohladi na –194 °C. Slično tomu dolazi do ukapljivanja zraka njegovim tlačenjem na dovoljno visok tlak pri stalnoj temperaturi nižoj od kritične (na primjer pri –150 °C za ukapljivanje zraka potreban je tlak od približno 20 [[Bar (jedinica)|bara]]). Za zrak je, zbog njegove niske kritične temperature, takav postupak nepraktičan, ali je prikladan na primjer za [[ugljikov dioksid]], koji postaje kapljevit primjenom tlaka od 57,4 bara, pri temperaturi od 20 °C.

Pionirske radove na ukapljivanju plinova niske kritične temperature izveli su 1877. gotovo istodobno francuski [[fizičar]] [[Louis Paul Cailletet]] (1832. – 1913.) i švicarski fizičar [[Raoul Pictet]] (1846–1929), postigavši pojavu [[magla|magle]] [[kisik]]a u [[laboratorij]]skim uvjetima. Time su dokazali da je kisik plin koji se može dovesti u [[Tekućine|kapljevito]] i [[Krutine|čvrsto stanje]]. Prvo ukapljivanje zraka uspjelo je 1883. poljskim fizičarima [[Zygmunt Wróblewski|Zygmuntu Wróblewskomu]] (1845. – 1888.) i [[Karol Olszewski|Karolu Olszewskomu]] (1846. – 1915.) primjenom trostupanjskoga [[Rashladnik|rashladnoga stroja]]. Tadašnje stanje rashladne tehnike nije dopuštalo uporabu takvih kaskadnih rashladnih uređaja za industrijsku primjenu, ali se oni danas primjenjuju ravnopravno s ostalim sustavima ukapljivanja plinova.

Prvi industrijski uređaj za ukapljivanje plinova, ponajprije zraka, patentirao je 1895. [[Carl von Linde]]. Uređaj je zasnovan na Joule-Thomsonovu učinku, prema kojemu plinovi prilikom smanjenja tlaka (prigušivanja) mijenjaju temperaturu: iznad takozvane inverzne temperature oni se zagrijavaju, a ispod nje se hlade. Jednostupanjski Lindeov uređaj izvana je dobro izoliran protusmjerni [[izmjenjivač topline]] (rekuperator), a čini ga [[Izmjenjivač topline cijev u cijevi|cijev u cijevi]]. Kroz središnju cijev struji vrlo stlačen plin (oko 200 bara), koji se na izlazu prigušuje na atmosferski tlak. Pritom se na primjer zrak hladi za 0,25 °C/bar, pa se pri prigušenju s 200 na 1 bar ohladi za približno 50 °C. Dio tako ohlađena plina vraća se kroz vanjsku cijev rekuperatora, hladeći u protustruji novonadolazeći stlačeni plin. Plin nakon višekratnoga prigušivanja poprima temperaturu koja je niža od [[vrelište|vrelišta]], te se jedan dio izlučuje kao kapljevita faza, dok se ostatak (zasićena para) vraća u rekuperator kako bi se hladio novonadolazeći plin. Linde je postupak usavršio uvođenjem stupnjevane kompresije i prigušivanja te prethlađenjem plina. Takvi usavršeni postupci koriste se i danas u industrijskim pogonima za ukapljivanje zraka i drugih plinova, a primjenjuju se i slični postupci, u kojima je prigušni dio zamijenjen ekspanzijskim strojem radi povrata dijela rada utrošena pri kompresiji. Takvi su postupak sa stapnim [[kompresor]]om i ekspanderom, te postupak s turbokompresorom i turboekspanderom. Za ukapljivanje plinova služe i strojevi zasnovani na lijevokretnom [[Stirlingov ciklus|Stirlingovu procesu]] (patent Philips), te kaskadni rashladni uređaji.

Danas se od plinova najviše ukapljuje [[zrak]], iz kojega se [[Frakcijska destilacija|frakcijskom destilacijom]] izdvaja [[kisik]] (svjetska proizvodnja viša od 100 milijuna tona na godinu) za metalnu i kemijsku industriju, [[dušik]], koji se u kapljevitom stanju koristi za postizanje niskih temperatura, te plemeniti plinovi, prije svega [[argon]]. Osim zraka, u velikim se količinama ukapljuju i gorivi plinovi: smjesa [[propan]]a i [[butan (plin)|butan]]a u bocama za kućansku uporabu kapljevita je pri sobnoj temperaturi već na umjerenim tlakovima (između 2,5 i 8 bara, ovisno o udjelu propana), a za ukapljivanje [[metan]]a pri atmosferskom tlaku (približno 1 bar) potrebno ga je ohladiti na temperaturu od –162 °C. U budućnosti se očekuje izdašna primjena [[vodik]]a, koji se racionalno skladišti samo u kapljevitom stanju, a kapljeviti helij osobito je važan u istraživanju [[supravodljivost]]i. <ref> '''ukapljivanje plinova (likvefakcija)''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=63058] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.</ref>

== Izvori ==
{{izvori}}

[[Kategorija:Fizika čvrstog stanja]]
[[Kategorija:Termodinamika]]

Niskotemperaturna fizika - Povijest promjena

WikiSysop: Bot: Automatski unos stranica