1、關于低溫發展史及獲得方法第一張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月制取和運輸冰塊原始制冰機 (1880年)第二張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月Delivery of Cold (1900)Unloading bargesinto local ice storageLocal delivery by ice wagonThe local ice manHome ice boxIce harvestingUserSource第三張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月Unloading bargesinto local ice storageLocal delivery by ic

2、e truckThe local ice manIce plantElectric power plantHome ice boxUserPowerlinesDelivery of Cold (1920)第四張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月Unloading bargesinto local ice storageLocal delivery by ice truckThe local ice manIce plantElectric power plantHome refrigeratorUserPowerlinesFirst coupling of refrigerator to

3、 applicationDelivery of Cold (1930)第五張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月Refrigerator Problems$714$4501922 Cost1922 Model-T Ford1922 RepairEvery 3 monthsAverage salary: $2000/yr1935 RepairToxic refrigerant leaksled to some deathsAdvancesRepairman bored第六張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月1877 Pictet (法)空氣液化器第七張，PPT共五十六頁，創作于2022

4、年6月Sir James Dewar 1890年：低溫真空夾套容器，保持低溫Dewar（杜瓦）低溫杜瓦第八張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月1895 Linde(德)空氣液化器第九張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月Delivery of Cold (Cryogenics)Air Liquefaction and Separation100 t/d of O2 Typical Plant US Production3000 t/d (1955)1910 Plant2 t/d O2WeldingWelding, O2 steel furnace (1954)Air liquefie

5、r 1910 2td.jpgAir separation XB-98 Institute WV 1961.ppt1895Linde O2 liquefier10 L/hrLinde-2stage-10Lhr1895.jpg1950s Plant第十張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月1908年：首次成功地把稱為永久氣體的氦液化，獲得4.2K（-2690C）的低溫源卡梅隆昂納斯1910：獲得1.04K，超流體1911：發現水銀電阻在4.2K時突然消失，即超低溫使物質變成了新物態超導體。Onnes宣布這一發現時，還沒有看出這一現象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現象。第十一張，PPT共五

6、十六頁，創作于2022年6月Helium Liquefaction (1950s)Collins helium liquefier Invented 1946; commercial 1947 4 L/h (original) 2 Expansion engines (Kapitza) 400 units worldwide (2005) Allowed 4 K research worldwideCollins2-1946.jpgCollins He liq schematic.tifCollins He liquefier-ADL.jpg第十二張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月20

7、世紀上半葉1902 Claude(法) 實用空氣液化系統，Air Liquide1907 Linde(德)公司 世界上第一個空氣液化工廠1908 Onnes(荷) 氦液化，凝聚態物質研究之路，至今仍為物理研究主流方向 (Nobel Prize)1911 Onnes(荷) 發現超導性1926 Goddard(美) 液氧推進劑火箭1926 Giaugue & Debye(美) 絕熱去磁 (Nobel Prize)1928 Keesom 超流性 (Nobel Prize)1933 1K低溫 磁制冷1934 Kapitza(俄) 氦液化膨脹機 (Nobel Prize)1937 美 低溫粉末絕熱球罐1

8、942 德 V-2低溫液體推進劑火箭試驗成功第十三張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月20世紀下半葉1957 美國 液氫火箭1958 高真空多層絕熱1954 Gifford和McManhon(美) G-M制冷機1963 Gifford和Longsworth(美) 脈管制冷機1964 兩艘LNG船開始服役1966 Hall(英) 3He/4He稀釋制冷機 (Nobel Prize) 1972 BCS理論:采用量子力學理論解釋超導性和超流性這些獨特而有趣的現象 (Nobel Prize) 1985 Klitzing 量子霍爾效應 (Nobel Prize) 1987 Muller和Bedno

9、rz(瑞士)氧化物高溫超導體(Nobel Prize) ；朱經武(美），趙忠賢（中）, 高溫超導熱1990 De Gennes磁有序態(Nobel Prize) 1997 Chu et al.激光冷卻捕獲原子(Nobel Prize) 第十四張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月1、相變制冷（液體、固體）低溫獲得方法2、膨脹制冷節流，放氣3、熱電制冷、輻射制冷、吸附制冷4、磁制冷、氦3稀釋制冷第十五張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月1、相變制冷-液體汽化在制冷技術中最常采用的方法，此方法簡單有效液體氣化的制冷量壓力，沸點，氣化潛熱，制冷量。為增大制冷量，液體在減壓下氣化是有利的。蒸

10、汽壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、蒸汽噴射制冷；氦液化裝置中用液氫、液氮預冷氦氣；低溫恒溫器保持物體低溫；液氮冷刀；液氦抽氣制冷（3He減壓氣化制取mK級低溫）等。第十六張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月原理：以固體制冷劑向高真空空間升華來獲得冷量。其工作溫度取決于制冷劑種類、系統壓力和熱負荷。如果改變蒸汽流量，從而改變系統背壓，就可以保持一個特定的溫度。制冷量應用：冷卻紅外或射線探測器、機載紅外設備等優點：1)升華潛熱較高；2)儲存密度較大；3)固體制冷劑溫度較低，可提高紅外探測器的靈敏度相變制冷-固體升華第十七張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月常用固體制冷劑 固體TKrs

11、kJ/kgkg/m3固體TKrskJ/kgkg/m3H213.98.351.1900Ar83.847.8205.31710Ne24.513.5105.41490CH490.759.8494.2520N263.143.4152.0940CO2216.6125566.41700CO68.145.5295.01030NH3195.41501837.5800第十八張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月大多數實際制冷或液化系統都利用節流過程（焦耳-湯姆遜）來獲得低溫。氣體通過節流閥時，由于局部阻力。壓力顯著降低，稱為節流。截流時間短，可看作絕熱，如再忽略動能和勢能變化，可將節流過程看作等焓過程。h1

12、=h2由于摩擦阻力存在，實際節流過程是一個熵增的不可逆過程 2、節流無外功輸出膨脹過程氣體-節流第十九張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月焦耳-湯姆遜系數 理想氣體的焓值僅是溫度的函數，氣體節流時溫度保持不變，而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數，節流后溫度會發生變化理想氣體： 第二十張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月節流時溫度降低 節流時溫度不變 節流時溫度升高 節流過程的物理特征第二十一張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月實際氣體的節流膨脹p2第二十二張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月轉化溫度 轉化溫度與壓力的關系 范德瓦爾狀態方程氣體轉化溫度與轉化曲線第二十三張

13、，PPT共五十六頁，創作于2022年6月氣體的最大轉化溫度氣體最大轉化溫度(K)氣體最大轉化溫度(K)He445氬Ar794H2205O2761氖Ne250CH4939N2621CO21500空氣603NH31994CO652轉化溫度低于環境溫度的氣體不能通過單獨節流獲得液化！預冷+節流 或 采用膨脹機第二十四張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月微分節流效應：以焦-湯系數表示。積分節流效應：等溫節流效應 ：節流效應氣體經等溫壓縮和節流膨脹之后具有制冷能力，是因為氣體經等溫壓縮后焓值降低(在壓縮過程中不但將壓縮功轉化成的熱量傳給了環境介質，且將焓差h0-h1也以熱量的方式傳給了環境介質)。

14、氣體的制冷能力是在等溫壓縮時獲得的，但通過節流才能表現出來，故等溫節流效應是這兩個過程的綜合。對空氣、氧、氮、烷等常見氣體，當提高節流前壓力或降低節流前溫度時，-hT值增加。 第二十五張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月有外功輸出的等熵膨脹 節流膨脹過程不能回收膨脹功，如采用帶膨脹機的等熵膨脹循環則可以回收膨脹功。克勞特液化系統、斯特林制冷機和維勒米爾制冷機等就是用絕熱膨脹的原理實現制冷的。微分等熵效應：等熵膨脹時溫度隨壓力的變化率。 第二十六張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月氣體等熵膨脹時溫度總是降低的 等熵膨脹過程中，du+dw=duk+dup+dw=0。有外功輸出dw0，膨

15、脹后氣體的內位能增大dup0，這些都需要消耗能量，只能由內動能來補償duk0降降降氣體液化流程和低溫制冷機好絕熱放氣00不回收降降降主要用于小型低溫制冷機中三種膨脹方式對比第三十四張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月可逆卡諾制冷循環冷 源 TR熱 源 T0 完全 絕熱 完全 絕熱 熵 s(a)可逆等溫壓縮；(b)可逆絕熱膨脹；(c)從低溫熱源吸熱并可逆等溫膨脹；(d)可逆絕熱壓縮。T0TR卡諾-制冷循環第三十五張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月卡諾制冷機在T0=300K和低溫TR時的性能系數COP制冷溫度TR（K） 111.7 0.5932 1.686 77.4 0.3477 2

16、.876 20.3 0.07258 13.778 4.2 0.01420 70.43 1.0 0.003344 299.0 0.1 0.0003334 2,999.0 0.01 0.0000333 29,999.0 卡諾制冷機COP第三十六張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月3、熱電制冷利用帕爾貼效應制冷：在兩種不同金屬組成的閉合回路中，若通以直流電，就會使一個節點變冷，一個變熱，這種溫差電現象稱為帕爾貼效應。在低溫制冷中不常采用。so(low entropy)sd(high entropy)Material 1Material 2ElectronFlow第三十七張，PPT共五十六頁，創

17、作于2022年6月利用物體向低溫冷源輻射散熱的方式進行制冷。通常用于衛星或空間飛行器，以宇宙空間為低溫冷源。由上海技物所為我國風云3號氣象衛星研制的中分辨率成像光譜儀輻射制冷器是新一代大冷量輻射制冷器。主要熱力學性能指標：二級溫度達到82K，在97K下制冷量達到110mW，突破了100mW大關。 輻射制冷第三十八張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月蒸發制冷循環。利用吸附工質液化后從外界吸熱蒸發制冷。間歇式基本循環，連續回熱循環（兩臺以上吸附器作為吸附壓縮機）。實際制冷方式為相變制冷。吸附制冷活性炭-甲烷物理吸附制冷機 2W/137K回熱型吸附制冷機第三十九張，PPT共五十六頁，創作于20

18、22年6月ACEQdQcACEQaQeA-吸附器；C-冷凝器；E-蒸發器；Qd-加熱顯熱及脫附熱；Qc-冷凝熱； Qa-冷卻顯熱及吸附熱, Qe-制冷量 吸附制冷 第四十張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月吸附式制冷系統中吸附和脫附從理論上來說是恒壓過程固體吸附劑受熱解吸出制冷劑，在制冷劑壓力達到冷凝壓力時即開始脫附-冷凝過程，制冷劑被冷凝成液體吸附與解吸過程吸附過程脫附過程第四十一張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月用于低溫溫區的吸附制冷工質對只能采用低溫氣體工質，吸附劑也主要采用活性炭、分子篩或一些化學吸附物質由于采用J-T節流制冷方式，解吸出的氣體必須先經預冷至轉化溫度以下，

19、否則不可能實現低溫氣體工質的液化常用吸附式制冷工作對及其工作溫區 吸附工質第四十二張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月4、如何獲得更低的溫度采用氣體或液體作為制冷工質，因為在0.6K時所有其他材料均為固體，只能利用氦4或氦3減壓蒸發，所獲溫度取決于液體上方的壓力。1K/16Pa，0.6K/37.5mPa (He4)0.6K/72.6Pa (He3)實際實驗系統所得到的溫度下限是：0.4K，而且維持低壓十分困難。如何得到更低的溫度？第四十三張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月磁熱效應固體磁性物質（磁性離子構成的系統）在受磁場作用磁化時，系統的磁有序度加強（磁熵減小），對外放出熱量；再

20、將其去磁，則磁有序度下降（磁熵增大），又要從外界吸收熱量。這種磁性離子系統在磁場施加與除去過程中所出現的熱現象稱為磁熱效應第四十四張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月最大偶極子熵為:為確保絕熱去磁過程成功的溫度條件為:溫度上限T0為: 絕熱去磁過程只能在極低溫下實現，若要實現顯著的溫降，晶格熱必須遠小于順磁鹽的磁極熵。在極低溫下，晶格熵為:磁熱效應基本原理第四十五張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月磁制冷發展歷史1907年Langevin：順磁體絕熱去磁過程中，溫度會降低1927年Debye和Giauque預言了可以利用此效應制冷。順磁物質可代替氣體或液體，磁場可代替流體的膨脹來得

21、到低溫1933年美國和荷蘭的科學家實現了絕熱去磁制冷,獲得0.3K-0.09K的低溫。從此，在極低溫領域（mK級至16K范圍）磁制冷發揮了很大作用第四十六張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月磁制冷機磁制冷采用卡諾循環，磁材料用稀土順磁鹽理想磁制冷機的COP同卡諾制冷機的相同磁制冷機可以在失重狀態下運行第四十七張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月理想狀況下，從儲存鹽中吸熱量為: 理想情況下，工質鹽對外放熱為:對整個循環應用第一定律，循環凈功為: 12：等溫磁化（排放熱量）23：絕熱退磁（溫度降低）34：等溫退磁（吸收熱量制冷）41：絕熱磁化（溫度升高） 熱力學循環第四十八張，PPT共

22、五十六頁，創作于2022年6月磁制冷機的實際和理想性能第四十九張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月磁制冷研究現狀低溫磁制冷技術比較成熟。美國、日本、法國均研制出多種低溫磁制冷冰箱，為各種科學研究創造極低溫條件。例如用于衛星、宇宙飛船等航天器的參數檢測和數處理系統中，磁制冷還用在氦液化制冷機上。高溫區磁制冷尚處于研究階段。雖然1976年Brown就成功進行了室溫磁制冷實驗。但溫度20K以上，特別是近室溫附近，磁性離子系統熱運動大大加強，順磁鹽中磁有序態難以形成，它在受外磁場作用前后造成的磁系統熵變大大減小，磁熱效應也大大減弱。所以，進入高溫區制冷，低溫磁制冷所采用的材料和循環都不適用。 第五十張，PPT共五十六頁，創作于2022年6月磁制冷研究現狀磁制冷不要壓縮機、噪聲小，小型量輕等優點