Welche Anstrengungen hat die Menschheit unternommen, um sich der Niedrigtemperaturgrenze zu nähern?

Jeden Sommer versuchen Menschen, die in heißen Gegenden leben, auf verschiedene Weise, sich abzukühlen. Als normale Menschen verwenden wir Ventilatoren, Klimaanlagen, kalte Getränke und andere Hilfsmittel, um uns im Sommer abzukühlen.

Für den Menschen sind 26 Grad Celsius bereits eine sehr angenehme Temperatur, für Wissenschaftler ist das jedoch nicht der Fall. Wissenschaftler haben intensiv daran gearbeitet, herauszufinden, wie man die niedrige Temperaturgrenze erreichen kann. Wie niedrig ist also die niedrigste Temperatur, die der Mensch erzeugen kann, und wie können wir sie erreichen?

Wärmeleitungskühlung

Wenn es ums Abkühlen geht, ist der direkteste Weg, der uns einfällt, wahrscheinlich , sich etwas Eis zu holen . Ja, dies ist auch die am häufigsten verwendete Methode in unserem Leben, zum Beispiel ein Glas eisgekühlter amerikanischer Kaffee oder eine Eiskompresse.

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Warum können Eiswürfel also kühlen? Dabei geht es um das Konzept der Wärmeleitung , das wir in der Mittelschule gelernt haben.

Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.

Drei Wege der Wärmeübertragung | Bildquellennetzwerk

Wärmeleitung bedeutet, dass beim Kontakt zweier Objekte mit unterschiedlicher Temperatur die Wärme vom Objekt mit der höheren Temperatur zum Objekt mit der niedrigeren Temperatur fließt. Es entsteht hauptsächlich durch die Schwingung molekularer Atome in Festkörpern. Beispielsweise nutzen wir Eiswürfel zum Abkühlen und Wärmepackungen zum Warmhalten.

Die thermische Konvektion ist die wichtigste Art der Wärmeübertragung in Gasen oder Flüssigkeiten und kann in natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion unterteilt werden. Der spontane Konvektionsprozess ist eine natürliche Konvektion, wie beispielsweise das Mischen von kaltem und heißem Wasser. Zwangskonvektion ist eine Konvektionsmethode, die durch äußere Kräfte verursacht wird, beispielsweise durch die Verwendung eines Haartrockners.

Wärmestrahlung ist die Übertragung von Wärme in Form elektromagnetischer Wellen. Wenn wir uns beispielsweise in der Sonne aalen, wird die Energie der Sonne in Form von Wärmestrahlung auf uns übertragen.

Die Frage ist also: Woher kommt an einem so heißen Tag das Eis?

Am einfachsten geht das Einfrieren im Kühlschrank . Die in unserem Leben häufig verwendeten Kühlgeräte, Kühlschränke und Klimaanlagen, basieren auf ähnlichen Kühlprinzipien, bei denen es sich bei beiden um thermodynamische Kreisprozesse handelt.

Thermodynamische Kreisprozesskühlung

Die Definition eines Kreisprozesses in der Thermodynamik lautet: „ Der gesamte Prozess eines Systems, der von einem bestimmten Gleichgewichtszustand ausgeht, eine beliebige Reihe von Prozessen durchläuft und zum ursprünglichen Gleichgewichtszustand zurückkehrt, wird als Kreisprozess bezeichnet.“

Im pV-Diagramm ist der Zyklusprozess im Uhrzeigersinn ein positiver Zyklus . Die Wärmekraftmaschine führt einen positiven Zyklus durch, d. h., der Arbeitsstoff absorbiert Wärme von der Hochtemperatur-Wärmequelle, ein Teil der erhöhten inneren Energie wird zum Verrichten von Arbeit verwendet und ein Teil wird durch die Niedertemperatur-Wärmequelle nach außen übertragen.

Der Vorgang, der gegen den Uhrzeigersinn abläuft, wird als umgekehrter Zyklus bezeichnet. Der Kühlschrank führt einen umgekehrten Kreislaufprozess durch, d. h., die Außenwelt übt Arbeit auf das System aus, wodurch die Arbeitssubstanz Wärme von der Niedertemperatur-Wärmequelle aufnimmt, wodurch die Temperatur der Niedertemperatur-Wärmequelle auf ein niedrigeres Niveau gesenkt und der Zweck der Kühlung erreicht wird.

Mit diesen grundlegenden Erkenntnissen wollen wir uns nun das Funktionsprinzip des Kühlschranks ansehen:

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Kühlschranks. | Bildquelle: Referenz [1]

Nach der Komprimierung durch den Kompressor gibt der Arbeitsstoff (normalerweise ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck) am Kondensator Wärme ab und wird zu einer Flüssigkeit mit hohem Druck. Die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit passiert das Drossel-Expansionsventil und ihr Druck wird reduziert, sodass sie zu einer Flüssigkeit mit niedrigem Druck wird. Es gelangt in den Verdampfer, absorbiert Wärme aus dem Gefrierfach, um die Temperatur des Gefrierfachs zu senken , und erwärmt sich, um zu einem Gas zu werden und in den nächsten Zyklus einzutreten, wodurch der Kühleffekt des Gefrierfachs erreicht wird.

Das Kühlprinzip einer Klimaanlage ist ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass sich im Inneren der Klimaanlage ein elektromagnetisches Umkehrventil befindet, das die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ändern kann und so im Sommer eine Kühlung und im Winter eine Heizung ermöglicht.

Schematische Darstellung des Prinzips einer Klimaanlage. | Bildquelle: Referenz [1]

Allerdings können diese Kühlmethoden nur unseren tatsächlichen Lebensbedarf decken. Die im Labor erforderliche Temperatur ist viel niedriger als diese Temperaturen. Die im Labor angestrebte extreme Temperatur ist der absolute Nullpunkt . Obwohl der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden kann , nähern sich die Wissenschaftler ihm Schritt für Schritt.

Verdunstungskühlung

Die gängigsten Kühlmethoden in Laboren sind flüssiger Stickstoff und flüssiges Helium.

Im Physikunterricht in der Schule haben wir etwas über Phasendiagramme gelernt. In den Phasendiagrammen können wir sehen, dass Gase unter hohen Druck- und niedrigen Temperaturbedingungen zu Flüssigkeiten komprimiert werden können. Daher können flüssiges Helium und flüssiger Stickstoff eine Umgebung mit niedriger Temperatur schaffen.

Phasendiagramm | Bildquellennetzwerk

Im Jahr 1900 wurde in der Internationalen Temperaturskala festgelegt, dass die thermodynamische Temperaturskala die grundlegende Temperaturskala ist. Die thermodynamische Temperatur wird durch T dargestellt, die Einheit ist Kelvin und das Symbol ist K. Die Celsius-Temperatur wird durch das Symbol t dargestellt, die Einheit ist Celsius und das Symbol ist ℃. Die Beziehung zwischen der Celsius-Temperatur und der thermodynamischen Temperatur lautet:

t=T-273,15

Stickstoff wurde erstmals 1883 von den polnischen Physikern Zygmunt Wróblewski und Karol Olszewski verflüssigt. Helium wurde 1908 vom niederländischen Physiker Onnes verflüssigt. Es war zugleich das letzte verflüssigte Gas. Das Aufkommen von flüssigem Helium schuf die Voraussetzungen für die Entdeckung der Supraleitung.

Der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt bei etwa -196 °C, also 77 K, und der Siedepunkt von flüssigem Helium liegt bei 4,2 K.

Da flüssiger Stickstoff und flüssiges Helium bei Raumtemperatur sehr niedrige Temperaturen aufweisen und extrem flüchtig sind, muss bei der Lagerung der Wärmeaustausch zwischen ihnen und der Luft minimiert werden, was die Lagerung in speziellen Behältern erfordert.

Der Behälter zur Lagerung von flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium im Labor ist der Dewar , ein 1892 von Dewar erfundener Behälter mit guter Wärmedämmwirkung. Zwischen den beiden Wänden des Dewar-Gefäßes befindet sich eine Vakuumschicht . Durch die Existenz der Vakuumschicht wird die molekulare Wärmebewegung verringert und so ein Wärmeverlust wirksam verhindert.

Nachdem Helium verflüssigt wurde, ist die Nutzung der Heliumverdampfung zur Kühlung das wichtigste Mittel zum Erreichen niedriger Temperaturen.

Helium hat zwei Isotope: ³He und ⁴He. Der Hauptbestandteil von Helium auf der Erde ist ⁴He, und der ³He-Gehalt in der Atmosphäre beträgt nur ein Millionstel des ⁴He-Gehalts.

Basierend auf der Beziehung zwischen gesättigtem Dampfdruck und Temperatur kann eine Verdunstungskühlung erreicht werden. Mit der Verdunstungskühlung von ⁴He kann eine niedrige Temperatur von 1 K erreicht werden . Da ⁴He bei extrem niedrigen Temperaturen jedoch ein Suprafluiditätsphänomen aufweist, d. h. bei extrem niedrigen Temperaturen, bildet ⁴He einen Flüssigkeitsfilm, der an der Behälterwand nach oben steigt, was zu Verdunstung und Wärmeverlust führt und so die niedrigste Temperatur begrenzt, die mit der Verdunstungskühlung von ⁴He erreicht werden kann.

Allerdings: „Er hat dieses Problem nicht.“ Darüber hinaus ist die Temperatur von ³He bei gleichem Sättigungsdampfdruck niedriger als die von ⁴He. Daher können durch die Verdunstungskühlung von ³He niedrigere Temperaturen erreicht werden. Die niedrigste Temperatur kann 200–300 mK erreichen.

Herkömmlicherweise werden Umgebungen unter 1 K oder unter 300 mK als extrem niedrige Temperaturen bezeichnet . Mit anderen Worten: Eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen kann nicht einfach durch die Verwendung von verdampftem Helium-4 zur Kühlung erreicht werden. Um Versuchsbedingungen mit extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen, sind daher andere Niedertemperaturtechnologien und -mittel erforderlich.

Verdünnungskühlung

Was ist, wenn Sie Temperaturen im mK-Bereich erreichen möchten? In den Jahren 1965–1966 wurde eine ³He-Verdünnungskältetechnik entwickelt, eine Kältetechnik mit hoher Kälteleistung und langer kontinuierlicher Betriebszeit. Das Konzept der Verdünnungskühlung wurde 1951 vorgeschlagen und 1965 umgesetzt. Ausgereifte kommerzielle Verdünnungskühlungen kamen erst in den 1970er Jahren auf den Markt.

Phasendiagramm der ³He-⁴He-Lösung. | Bildquelle: Referenz [3]

Was ist das Prinzip der Verdünnungskühlung? Es ist ganz einfach.

Experimente haben ergeben, dass ³He-⁴He bei extrem niedrigen Temperaturen eine Phasentrennung aufweist, was auch aus dem Lösungsphasendiagramm von ³He-⁴He ersichtlich ist. In der Phasentrennzone wird die Lösung in eine konzentrierte He-Phase und eine verdünnte He-Phase aufgeteilt. Da He-Atome leichter sind, verteilt sich die konzentrierte He-Phase oben und es gibt eine klare Schnittstelle zwischen den beiden Phasen. Aus dem Phasendiagramm ist jedoch ersichtlich, dass selbst beim absoluten Nullpunkt noch eine gewisse Menge an ³He in der verdünnten Phase vorhanden ist, was auch der Schlüssel zur Verdünnungskühlung ist.

Das Prinzipverständnis der Verdünnungskältetechnik ist mit dem der Verdunstungskältetechnik vergleichbar.

In der verdünnten Phase ist das supraflüssige He vollständig geordnet und die Bewegung des He darin ist völlig ungehindert. Daher kann die He-Lösung für He-Atome als ein **"Vakuum"-Zustand** betrachtet werden, und das Eindringen von He von der dichten Phase in die verdünnte Phase kann als "Verdampfung" von He-Flüssigkeit betrachtet werden. Durch den „Verdampfungsprozess“ wird Wärme absorbiert , sodass die Temperatur der dichten He-Phase noch weiter gesenkt werden kann .

Mithilfe der He-Verdünnungskühlungsmethode kann die Temperatur auf wenige mK gesenkt werden, wodurch die Möglichkeit, niedrige Temperaturen zu erreichen, erheblich verbessert wird.

Aber was sollten wir tun, wenn wir die Temperatur weiter auf unter 1 mK senken wollen?

Nukleare adiabatische Entmagnetisierungskühlung

Im Jahr 1934 schlugen Gorter und 1935 Kurti unabhängig voneinander adiabatische Entmagnetisierungskühlungsmethoden auf der Grundlage des Kernspins vor.

Die nukleare adiabatische Entmagnetisierungskühlung nutzt die Tatsache, dass die Entropie eines magnetischen Momentsystems sowohl durch die Temperatur als auch durch ein externes Magnetfeld gesteuert werden kann. Das Prinzip ist ganz einfach.

Schematische Darstellung des Prinzips der nuklearen adiabatischen Entmagnetisierungskühlung. | Bildquelle: Referenz [2]

Im Ausgangszustand , wenn das äußere Magnetfeld Null ist, ist die Anordnung der magnetischen Momente des Kühlmittels ungeordnet . Wenn die Temperatur unverändert bleibt und das Magnetfeld erhöht wird, kann die Anordnung der magnetischen Momente tendenziell konstant bleiben (dies ist ein einfacher Phasenänderungsprozess, der mit dem Prozess des Gefrierens von Wasser zu Eis bei niedrigen Temperaturen – von der Unordnung zur Ordnung – verglichen werden kann). Dies ist ein Prozess der Entropiereduzierung und die Temperatur des Systems sinkt .

Als nächstes wird das Magnetfeld unter adiabatischen Bedingungen reduziert und das Kühlmittel absorbiert Wärme aus der Umgebung und gerät wieder in Unordnung , wodurch die Umgebungstemperatur weiter gesenkt wird und der Zweck der nuklearen adiabatischen Entmagnetisierungskühlung erreicht wird. Mit dieser Methode kann die Temperatur auf einige zehn µK gesenkt werden.

Durch die Verflüssigung von Helium kann die Temperatur von 300 K bei Raumtemperatur auf 4,2 K gesenkt werden;

Durch die Verdampfungskühlung von He kann eine niedrige Temperatur von 1 K erreicht werden;

Durch die Verdampfungskühlung von ³He kann eine niedrige Temperatur von 300 mK erreicht werden;

Mit einem ³He-Verdünnungskühler kann eine niedrige Temperatur von 2 mK erreicht werden;

Durch nukleare adiabatische Entmagnetisierungskühlung kann die Temperatur makroskopischer Objekte auf etwa 10 μK gesenkt werden.

Von der Raumtemperatur bis zur nuklearen adiabatischen Entmagnetisierungskühlung ist die Temperatur um sieben Größenordnungen angestiegen und hat die makroskopische Kühlgrenze des Menschen erreicht.

Jeder Fortschritt in der Tieftemperaturphysik fördert die Entwicklung grundlegender Disziplinen und den Fortschritt der menschlichen Gesellschaft. Auf unserem Weg zu immer niedrigeren Temperaturen haben wir die von der Natur gesetzten Grenzen bereits überschritten.

Verweise

[1] Huang Shuqing, Thermodynamikkurs (Zweite Ausgabe), Higher Education Press

[2] Lin Xi, „Nukleare adiabatische Entmagnetisierungskühlung“, Physik, Bd. 52 (2023), Nr. 8

[3] Yan Shousheng, „Verdünnungskühlung: Eine neue Methode zur Erzielung extrem niedriger Temperaturen“, Physik, 1975, 4(2)

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften (ID: cas-iop)

Autor: Abai

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin