氦氣其特性使其可用于許多不同的用途,從冷卻到為飛艇提供升力。通過了解其低溫原理的基礎知識,我們可以了解這種氣體的工作原理及其各種用途。
低溫科學的各個方面出現在 19 世紀早期法拉第和焦耳的實驗中。低溫學涉及使材料經受極低的溫度,通常低于 -150 °C。液氮或液氦等低溫液體的使用使我們能夠安全地達到極端溫度,而不必擔心與高溫過程相關的火災隱患。在涉及寒冷環(huán)境的任何項目中,這些物質都發(fā)揮著不可或缺的作用。
氦氣具有多種可用于低溫過程的特性。它的沸點低于大多數其他元素,使其適合快速有效地達到非常低的溫度。由于其無毒特性,該過程也保持安全。難怪如此多的行業(yè)更加依賴氦的低溫原理和應用。
低溫學研究材料在極低溫度下的生產和行為。氦氣等低溫液體的溫度范圍介于 -271.15°C 至 -196°C 之間。低溫應用利用了在這些低溫環(huán)境中增加強度、改善導電性和增強隔熱等特性。
低溫技術背后的原理涉及控制冷卻速率。這是通過利用沸點和蒸發(fā)速率來實現所需的溫度范圍來完成的。在某些情況下,這涉及使用機械制冷劑甚至液氮將材料迅速冷卻至零度以下。通過操縱環(huán)境,材料可以冷卻到室溫以下,而不會將其物理狀態(tài)從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。
然而,并非所有材料在暴露于極端寒冷條件下時都會做出同樣的反應。例如,無論冷卻多遠,氦氣仍然是氣體,而水在 0°C 時會變成冰。了解每種材料在不同溫度下的獨特特性有助于科學家確定哪些物質最適合特定的低溫應用。
氦氣冷卻已在各種工業(yè)應用中實施,以提高效率和安全性。
它廣泛用于低溫工業(yè),因為它既可以快速冷卻物體,又可以使物體長時間保持在超低溫下。工業(yè)氦氣冷卻系統通常采用允許用戶輕松精確調整溫度設置的技術。這使其成為工業(yè)低溫存儲等大規(guī)模過程的理想選擇。在儲存過程中,必須長時間保持溫度的均勻性。
與傳統方法相比,工業(yè)氦氣冷卻還使制造商能夠通過降低能耗來降低運營成本。
許多公司都采用了這項技術。它能夠最大限度地減少制造過程中的熱量產生,并減少其對環(huán)境的整體影響。此外,當與超導體等其他材料或技術結合使用時,氦氣冷卻可以提供更大的性能優(yōu)勢。
低溫技術已被用于航天器和衛(wèi)星以實現高效運行。
低溫技術用于太空應用,因為它們允許在較低溫度下儲存推進劑并降低其蒸氣壓。低溫燃料還提供比化學燃料更高的比沖,從而延長任務持續(xù)時間。低溫推進劑罐重量輕,熱膨脹系數低。這使他們能夠在船上儲存更多的燃料。
采用低溫技術的航天器有一個絕緣內罐,內含液態(tài)氫或液態(tài)氧,溫度保持在 -253°C 至 -183°C 之間。為保持此溫度,在容器壁周圍安裝多層絕緣 (MLI) 毯等絕緣層。這可以防止熱量從外部環(huán)境散失到其中。這些系統可以使用散熱器或焦耳-湯姆遜冷卻器等主動冷卻機制來進一步控制其溫度。
由于與其他類型的燃料源相比具有高功率密度,衛(wèi)星在運行期間廣泛使用低溫技術。為了讓它們在整個任務期間保持功能,衛(wèi)星需要持續(xù)供電,這由太陽能電池板或放射性同位素熱電發(fā)電機 (RTG) 提供。RTG 需要儲存在高度絕緣容器內的液態(tài)氫來產生電能。因此,衛(wèi)星運營商必須嚴重依賴低溫技術來確保長時間不間斷的性能。
近年來,在提高低溫技術在航天器和衛(wèi)星中的使用效率方面取得了進展。有了這些進步,我們很可能會看到通過增加實現更高水平的效率提升。
氦氣在醫(yī)療領域有多種應用,因為它的冷卻特性使其非常適合在低溫操作中使用。
這使得氦氣成為治療需要極端溫度或受控環(huán)境的疾病和病癥的寶貴資源。冷凍療法在希望通過暴露于極冷溫度下減少炎癥和增加柔韌性來改善身體機能的個人中越來越受歡迎。該過程通常涉及使用液氮或氦氧混合氣(氧氣和氦氣)罐,罐內充滿 -156°C 的加壓氧氣和氦氣。
使用冰點溫度還有助于醫(yī)生治療各種醫(yī)療問題,包括與癌癥相關的腫瘤、良性生長和牙周病。
通過將受影響的區(qū)域暴露在超低溫下,醫(yī)生能夠安全地去除異常細胞,而不會對健康的周圍組織造成損害。該技術還用于美容行業(yè),用于緊致皮膚、減少脂肪和面部輪廓等程序。
這些治療有許多優(yōu)點。這些包括微創(chuàng)、更快的恢復時間和比傳統手術方法更少的副作用。
此外,它們可以在門診病人的基礎上進行,與傳統手術相比,它們具有成本效益。所有這些好處使得酷療法(例如使用氦氣的療法)成為患者越來越理想的選擇。
氦氣是低溫應用的基本元素,已用于從食品包裝到醫(yī)學研究的各種行業(yè)。與氦低溫技術相關的供應鏈在過去十年中穩(wěn)步增長。研究人員正在探索使用超低溫安全儲存組織樣本和器官同時保持其完整性的方法。這可能會徹底改變移植的執(zhí)行方式,并為使用儲存的細胞和組織進行治療開辟新的可能性。
氦的低溫能力的其他工業(yè)用途包括改進藥品或半導體的生產工藝。有了這項技術,公司可以通過減少制造過程中因熱量引起的氧化來更快、更便宜地生產更高質量的產品。一些先進材料需要精確的冷卻水平,而這僅存在于可通過氦基低溫系統實現的極端溫度下;由于全球消費者的需求不斷增加,這些材料可能很快就會變得司空見慣。
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