氦气其特性使其可用于许多不同的用途,从冷却到为飞艇提供升力。通过了解其低温原理的基础知识,我们可以了解这种气体的工作原理及其各种用途。
低温科学的各个方面出现在 19 世纪早期法拉第和焦耳的实验中。低温学涉及使材料经受极低的温度,通常低于 -150 °C。液氮或液氦等低温液体的使用使我们能够安全地达到极端温度,而不必担心与高温过程相关的火灾隐患。在涉及寒冷环境的任何项目中,这些物质都发挥着不可或缺的作用。
氦气具有多种可用于低温过程的特性。它的沸点低于大多数其他元素,使其适合快速有效地达到非常低的温度。由于其无毒特性,该过程也保持安全。难怪如此多的行业更加依赖氦的低温原理和应用。
低温学研究材料在极低温度下的生产和行为。氦气等低温液体的温度范围介于 -271.15°C 至 -196°C 之间。低温应用利用了在这些低温环境中增加强度、改善导电性和增强隔热等特性。
低温技术背后的原理涉及控制冷却速率。这是通过利用沸点和蒸发速率来实现所需的温度范围来完成的。在某些情况下,这涉及使用机械制冷剂甚至液氮将材料迅速冷却至零度以下。通过操纵环境,材料可以冷却到室温以下,而不会将其物理状态从固态变为液态。
然而,并非所有材料在暴露于极端寒冷条件下时都会做出同样的反应。例如,无论冷却多远,氦气仍然是气体,而水在 0°C 时会变成冰。了解每种材料在不同温度下的独特特性有助于科学家确定哪些物质最适合特定的低温应用。
氦气冷却已在各种工业应用中实施,以提高效率和安全性。
它广泛用于低温工业,因为它既可以快速冷却物体,又可以使物体长时间保持在超低温下。工业氦气冷却系统通常采用允许用户轻松精确调整温度设置的技术。这使其成为工业低温存储等大规模过程的理想选择。在储存过程中,必须长时间保持温度的均匀性。
与传统方法相比,工业氦气冷却还使制造商能够通过降低能耗来降低运营成本。
许多公司都采用了这项技术。它能够最大限度地减少制造过程中的热量产生,并减少其对环境的整体影响。此外,当与超导体等其他材料或技术结合使用时,氦气冷却可以提供更大的性能优势。
低温技术用于太空应用,因为它们允许在较低温度下储存推进剂并降低其蒸气压。低温燃料还提供比化学燃料更高的比冲,从而延长任务持续时间。低温推进剂罐重量轻,热膨胀系数低。这使他们能够在船上储存更多的燃料。
采用低温技术的航天器有一个绝缘内罐,内含液态氢或液态氧,温度保持在 -253°C 至 -183°C 之间。为保持此温度,在容器壁周围安装多层绝缘 (MLI) 毯等绝缘层。这可以防止热量从外部环境散失到其中。这些系统可以使用散热器或焦耳-汤姆逊冷却器等主动冷却机制来进一步控制其温度。
由于与其他类型的燃料源相比具有高功率密度,卫星在运行期间广泛使用低温技术。为了让它们在整个任务期间保持功能,卫星需要持续供电,这由太阳能电池板或放射性同位素热电发电机 (RTG) 提供。RTG 需要储存在高度绝缘容器内的液态氢来产生电能。因此,卫星运营商必须严重依赖低温技术来确保长时间不间断的性能。
近年来,在提高低温技术在航天器和卫星中的使用效率方面取得了进展。有了这些进步,我们很可能会看到通过增加实现更高水平的效率提升。
氦气在医疗领域有多种应用,因为它的冷却特性使其非常适合在低温操作中使用。
这使得氦气成为治疗需要极端温度或受控环境的疾病和病症的宝贵资源。冷冻疗法在希望通过暴露于极冷温度下减少炎症和增加柔韧性来改善身体机能的个人中越来越受欢迎。该过程通常涉及使用液氮或氦氧混合气(氧气和氦气)罐,罐内充满 -156°C 的加压氧气和氦气。
使用冰点温度还有助于医生治疗各种医疗问题,包括与癌症相关的肿瘤、良性生长和牙周病。
通过将受影响的区域暴露在超低温下,医生能够安全地去除异常细胞,而不会对健康的周围组织造成损害。该技术还用于美容行业,用于紧致皮肤、减少脂肪和面部轮廓等程序。
这些治疗有许多优点。这些包括微创、更快的恢复时间和比传统手术方法更少的副作用。
此外,它们可以在门诊病人的基础上进行,与传统手术相比,它们具有成本效益。所有这些好处使得酷疗法(例如使用氦气的疗法)成为患者越来越理想的选择。
氦气是低温应用的基本元素,已用于从食品包装到医学研究的各种行业。与氦低温技术相关的供应链在过去十年中稳步增长。研究人员正在探索使用超低温安全储存组织样本和器官同时保持其完整性的方法。这可能会彻底改变移植的执行方式,并为使用储存的细胞和组织进行治疗开辟新的可能性。
氦的低温能力的其他工业用途包括改进药品或半导体的生产工艺。有了这项技术,公司可以通过减少制造过程中因热量引起的氧化来更快、更便宜地生产更高质量的产品。一些先进材料需要精确的冷却水平,而这仅存在于可通过氦基低温系统实现的极端温度下;由于全球消费者的需求不断增加,这些材料可能很快就会变得司空见惯。
