En física , la criogenia es la producción y el comportamiento de materiales a temperaturas muy bajas . Una persona que estudia elementos que han sido sometidos a temperaturas extremadamente frías se llama criogénica .
No está bien definido en qué punto de la escala de temperatura finaliza la refrigeración y comienza la criogenia, pero los científicos consideran que un gas es criogénico si se puede licuar a una temperatura de -150 ° C o menos (123 K ; -238 ° F ). [1] El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE. UU. Ha decidido considerar el campo de la criogenia como el que involucra temperaturas por debajo de −180 ° C (93 K; −292 ° F). Esta es una línea divisoria lógica, ya que los puntos de ebullición normales de los llamados gases permanentes (como helio , hidrógeno , neón , nitrógeno ,el oxígeno y el aire normal se encuentran por debajo de −180 ° C, mientras que los refrigerantes, hidrocarburos y otros refrigerantes de Freón tienen puntos de ebullición por encima de −180 ° C. [2] [3]
El descubrimiento de materiales superconductores con temperaturas críticas significativamente superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido ha generado un nuevo interés en métodos fiables y de bajo costo para producir refrigeración criogénica a alta temperatura. El término "criogénico a alta temperatura" describe temperaturas que van desde el punto de ebullición del nitrógeno líquido, −195.79 ° C (77.36 K; −320.42 ° F), hasta −50 ° C (223 K; −58 ° F). [4]
Los criogénicos utilizan la escala de temperatura Kelvin o Rankine , que miden desde el cero absoluto , en lugar de escalas más habituales, como Celsius, que mide desde el punto de congelación del agua al nivel del mar o Fahrenheit con su cero a una temperatura arbitraria.
Aplicaciones industriales [ editar ]
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Los gases licuados , como el nitrógeno líquido y el helio líquido , se utilizan en muchas aplicaciones criogénicas. El nitrógeno líquido es el elemento más utilizado en criogenia y se puede comprar legalmente en todo el mundo. El helio líquido también se usa comúnmente y permite alcanzar las temperaturas más bajas que se puedan alcanzar.
Estos líquidos pueden almacenarse en matraces Dewar , que son recipientes de doble pared con un alto vacío entre las paredes para reducir la transferencia de calor al líquido. Los típicos matraces Dewar de laboratorio son esféricos, hechos de vidrio y protegidos en un contenedor externo de metal. Los matraces Dewar para líquidos extremadamente fríos como el helio líquido tienen otro recipiente de doble pared lleno de nitrógeno líquido. Los frascos de Dewar llevan el nombre de su inventor, James Dewar , el hombre que primero licuó hidrógeno . Las botellas termos son matraces de vacío más pequeños que se colocan en una carcasa protectora.
Las etiquetas de códigos de barras criogénicas se utilizan para marcar los matraces Dewar que contienen estos líquidos, y no se congelarán hasta −195 grados Celsius. [7]
Las bombas de transferencia criogénica son las bombas utilizadas en los muelles de LNG para transferir el gas natural licuado de los transportadores de LNG a los tanques de almacenamiento de LNG , al igual que las válvulas criogénicas.
Procesamiento criogénico [ editar ]
El campo de la criogenia avanzó durante la Segunda Guerra Mundial cuando los científicos descubrieron que los metales congelados a bajas temperaturas mostraban una mayor resistencia al desgaste. Basada en esta teoría del endurecimiento criogénico , la industria de procesamiento criogénico comercial fue fundada en 1966 por Ed Busch. Con experiencia en la industria del tratamiento térmico , Busch fundó una compañía en Detroit llamada CryoTech en 1966 [8] que se fusionó con 300 Below en 1999 para convertirse en la empresa de procesamiento criogénico comercial más grande y antigua del mundo. [ cita requerida ]Busch originalmente experimentó con la posibilidad de aumentar la vida útil de las herramientas metálicas a un valor entre el 200% y el 400% de la esperanza de vida original mediante el uso de temple criogénico en lugar de tratamiento térmico. [ cita requerida ]Esto evolucionó a fines de la década de 1990 hacia el tratamiento de otras partes.
Los criógenos, como el nitrógeno líquido , también se utilizan para aplicaciones especiales de refrigeración y congelación. Algunas reacciones químicas, como las que se usan para producir los ingredientes activos de los populares medicamentos de estatinas , deben ocurrir a bajas temperaturas de aproximadamente -100 ° C (-148 ° F). Se utilizan reactores químicos criogénicos especiales para eliminar el calor de reacción y proporcionar un ambiente de baja temperatura. La congelación de alimentos y productos biotecnológicos, como las vacunas , requiere nitrógeno en los sistemas de congelación rápida o de inmersión. Ciertos materiales blandos o elásticos vuelven duros y frágiles a temperaturas muy bajas, lo que hace criogénico de molienda ( cryomilling) una opción para algunos materiales que no se pueden fresar fácilmente a temperaturas más altas.
El procesamiento criogénico no es un sustituto del tratamiento térmico, sino más bien una extensión del ciclo de calentamiento-temple-revenido. Normalmente, cuando un artículo se apaga, la temperatura final es la temperatura ambiente. La única razón para esto es que la mayoría de los que tratan el calor no tienen equipo de enfriamiento. No hay nada metalúrgicamente significativo sobre la temperatura ambiente. El proceso criogénico continúa esta acción desde la temperatura ambiente hasta −320 ° F (140 ° R; 78 K; −196 ° C). En la mayoría de los casos, el ciclo criogénico es seguido por un procedimiento de templado térmico. Como todas las aleaciones no tienen los mismos componentes químicos, el procedimiento de revenido varía según la composición química del material, el historial térmico y / o la aplicación de servicio particular de una herramienta.
Todo el proceso lleva de 3 a 4 días.
Combustibles [ editar ]
Otro uso de los productos criogénicos son los combustibles criogénicos para cohetes con hidrógeno líquido como el ejemplo más utilizado. El oxígeno líquido (LOX) se usa aún más ampliamente, pero como oxidante , no como combustible. El transbordador espacial del caballo de batalla de la NASA usó propulsor de hidrógeno / oxígeno criogénico como su principal medio para entrar en órbita . LOX también se usa ampliamente con el queroseno RP-1 , un hidrocarburo no criogénico, como en los cohetes construidos para el programa espacial soviético por Sergei Korolev .
El fabricante ruso de aviones Tupolev desarrolló una versión de su popular diseño Tu-154 con un sistema de combustible criogénico, conocido como el Tu-155 . El avión utiliza un combustible denominado gas natural licuado o GNL, y realizó su primer vuelo en 1989.
Otras aplicaciones [ editar ]
Algunas aplicaciones de la criogenia:
- La resonancia magnética nuclear (RMN) es uno de los métodos más comunes para determinar las propiedades físicas y químicas de los átomos detectando la radiofrecuencia absorbida y la posterior relajación de los núcleos en un campo magnético. Esta es una de las técnicas de caracterización más utilizadas y tiene aplicaciones en numerosos campos. Principalmente, los campos magnéticos fuertes se generan al subenfriar los electroimanes, aunque hay espectrómetrosQue no requieren criógenos. En los solenoides superconductores tradicionales, el helio líquido se utiliza para enfriar las bobinas internas porque tiene un punto de ebullición de alrededor de 4 K a la presión ambiente. Se pueden utilizar superconductores metálicos baratos para el cableado de la bobina. Los supuestos compuestos superconductores de alta temperatura pueden fabricarse para superconducir con el uso de nitrógeno líquido, que hierve a alrededor de 77 K.
- La resonancia magnética (RM) es una aplicación compleja de la RMN donde la geometría de las resonancias se decolinea y se usa para obtener imágenes de los objetos al detectar la relajación de los protones que se han perturbado por un pulso de radiofrecuencia en el fuerte campo magnético. Esto se utiliza principalmente en aplicaciones de salud.
- En las grandes ciudades, es difícil transmitir la potencia mediante cables aéreos, por lo que se utilizan cables subterráneos. Pero los cables subterráneos se calientan y la resistencia del cable aumenta, lo que lleva a un desperdicio de energía. Los superconductores podrían usarse para aumentar el rendimiento de la energía, aunque requerirían líquidos criogénicos como el nitrógeno o el helio para enfriar cables especiales que contienen aleaciones para aumentar la transmisión de energía. Se han realizado varios estudios de viabilidad y el campo es objeto de un acuerdo dentro de la Agencia Internacional de Energía .
- Los gases criogénicos se utilizan en el transporte y almacenamiento de grandes masas de alimentos congelados . Cuando se deben transportar grandes cantidades de alimentos a regiones como zonas de guerra, regiones afectadas por terremotos, etc., deben almacenarse durante mucho tiempo, por lo que se utiliza la congelación de alimentos criogénicos. La congelación de alimentos criogénicos también es útil para las industrias de procesamiento de alimentos a gran escala.
- Muchas cámaras de infrarrojos ( infrarrojos de avanzada ) requieren que sus detectores se enfríen criogénicamente.
- Ciertos grupos sanguíneos raros se almacenan a bajas temperaturas, como -165 ° C, en los bancos de sangre.
- La tecnología criogénica que utiliza nitrógeno líquido y CO 2 se ha incorporado en los sistemas de efectos de clubes nocturnos para crear un efecto de enfriamiento y una niebla blanca que puede iluminarse con luces de colores.
- El enfriamiento criogénico se utiliza para enfriar la punta de la herramienta en el momento del mecanizado en el proceso de fabricación . Aumenta la vida útil de la herramienta. El oxígeno se utiliza para realizar varias funciones importantes en el proceso de fabricación de acero.
- Muchos cohetes utilizan gases criogénicos como propelentes. Estos incluyen oxígeno líquido, hidrógeno líquido y metano líquido.
- Al congelar el neumático del automóvil o camión en nitrógeno líquido, el caucho se vuelve quebradizo y se puede triturar en pequeñas partículas. Estas partículas se pueden usar de nuevo para otros artículos.
- La investigación experimental sobre ciertos fenómenos físicos, como la espintrónica y las propiedades de magnetotransporte, requiere temperaturas criogénicas para que se observen los efectos.
Producción [ editar ]
Enfriamiento criogénico de los dispositivos y el material se consigue por lo general mediante el uso de nitrógeno líquido , helio líquido , o un refrigerador criogénico mecánica (que utiliza líneas de helio de alta presión). Los sistemas de refrigeración criogénica Gifford-McMahon, los sistemas de refrigeración criogénica de tubos por impulsos y los sistemas de refrigeración criogénica Stirling se utilizan ampliamente con la selección basada en la temperatura de base requerida y la capacidad de enfriamiento. El desarrollo más reciente en criogenia es el uso de imanes como regeneradores y refrigeradores. Estos dispositivos funcionan según el principio conocido como efecto magnetocalórico .
Detectores [ editar ]
Para la medición de temperatura criogénica hasta 30K , se utilizan sensores Pt100, un detector de temperatura de resistencia (RTD) . Para temperaturas inferiores a 30 K es necesario usar un diodo de silicio para mayor precisión.
La superconductividad es un fenómeno de resistencia eléctricaexactamente cero y la expulsión de campos de flujo magnético queocurren en ciertos materiales, llamados superconductores , cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica característica . Fue descubierto por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden . Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas , la superconductividad es un fenómeno mecánico cuántico . Se caracteriza por el efecto Meissner , la expulsión completa de líneas de campo magnético.desde el interior del superconductor durante sus transiciones al estado superconductor. La aparición del efecto Meissner indica que la superconductividad no puede entenderse simplemente como la idealización de la conductividad perfecta en la física clásica .
La resistencia eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que disminuye la temperatura. En conductores comunes, como el cobre o la plata , esta disminución está limitada por impurezas y otros defectos. Incluso cerca del cero absoluto , una muestra real de un conductor normal muestra cierta resistencia. En un superconductor, la resistencia cae bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica a través de un bucle de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. [1] [2] [3] [4]
En 1986, se descubrió que algunos materiales cerámicos de cuprato - perovskita tienen una temperatura crítica superior a 90 K (-183 ° C). [5]Una temperatura de transición tan alta es teóricamente imposible para un superconductor convencional , lo que hace que los materiales se denominen superconductores de alta temperatura . El nitrógeno líquidorefrigerante disponible a bajo costo hierve a 77 K y, por lo tanto, la superconducción a temperaturas más altas facilita la realización de muchos experimentos y aplicaciones que son menos prácticos a temperaturas más bajas.
Clasificación [ editar ]
Hay muchos criterios por los cuales se clasifican los superconductores. Los más comunes son:
Respuesta a un campo magnético [ editar ]
Un superconductor puede ser Tipo I , lo que significa que tiene un solo campo crítico , por encima del cual se pierde toda la superconductividad y por debajo del cual el campo magnético se expulsa completamente del superconductor; o Tipo II , lo que significa que tiene dos campos críticos, entre los cuales permite la penetración parcial del campo magnético a través de puntos aislados. Estos puntos se llaman vórtices . Además, en los superconductores multicomponentes es posible tener una combinación de los dos comportamientos. En ese caso el superconductor es de tipo 1.5 .
Por teoría de funcionamiento [ editar ]
Es convencional si puede explicarse por la teoría de BCS o sus derivados, o no convencional , de lo contrario. [6]
Por temperatura crítica [ editar ]
Un superconductor es generalmente considerado de alta temperatura si se alcanza un estado superconductor cuando se enfría utilizando nitrógeno líquido - es decir, en solamente T c > 77 K) - o de baja temperatura si se requieren técnicas de enfriamiento más agresivas para alcanzar su temperatura crítica.
Por material [ editar ]
Las clases de materiales superconductores incluyen elementos químicos (por ejemplo, mercurio o plomo ), aleaciones (como niobio-titanio , germanio-niobio y nitruro de niobio ), cerámicas ( YBCO y diboruro de magnesio), pícidos superconductores (como LaOFeAs dopado con flúor) o superconductores orgánicos. ( fullerenos y nanotubos de carbono ; aunque quizás estos ejemplos deberían incluirse entre los elementos químicos, ya que están compuestos completamente de carbono ).
Propiedades elementales de los superconductores [ editar ]
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La mayoría de las propiedades físicas de los superconductores varían de un material a otro, como la capacidad de calor y la temperatura crítica, el campo crítico y la densidad de corriente crítica en la que se destruye la superconductividad.
Por otro lado, hay una clase de propiedades que son independientes del material subyacente. Por ejemplo, todos los superconductores tienen una resistividad exactamente cero a las corrientes aplicadas bajas cuando no hay un campo magnético presente o si el campo aplicado no excede un valor crítico. La existencia de estas propiedades "universales" implica que la superconductividad es una fase termodinámica , y por lo tanto posee ciertas propiedades distintivas que son en gran medida independientes de los detalles microscópicos.
Cero resistencia eléctrica DC [ editar ]
El método más simple para medir la resistencia eléctrica de una muestra de algún material es colocarlo en un circuito eléctrico en serie con una fuente de corriente I y medir el voltaje resultante V a través de la muestra. La resistencia de la muestra está dada por la ley de Ohm como R = V / I . Si el voltaje es cero, esto significa que la resistencia es cero.
Los superconductores también pueden mantener una corriente sin ningún tipo de voltaje aplicado, una propiedad explotada en electroimanes superconductores como los que se encuentran en las máquinas de MRI . Los experimentos han demostrado que las corrientes en bobinas superconductoras pueden persistir durante años sin ninguna degradación medible. La evidencia experimental apunta a una vida actual de al menos 100.000 años. Las estimaciones teóricas para la vida útil de una corriente persistente pueden exceder la vida útil estimada del universo , dependiendo de la geometría del cable y la temperatura. [3] En la práctica, las corrientes inyectadas en bobinas superconductoras han persistido durante más de 23 años (como en agosto de 2018) en gravímetros superconductores . [7][8] En tales instrumentos, el principio de medición se basa en el monitoreo de la levitación de una esfera superconductora de niobio con una masa de 4 gramos.
En un conductor normal, una corriente eléctrica puede visualizarse como un fluido de electrones que se mueven a través de una red iónica pesada . Los electrones chocan constantemente con los iones en la red, y durante cada colisión, parte de la energía transportada por la corriente es absorbida por la red y se convierte en calor , que es esencialmente la energía cinética vibracional de los iones red. Como resultado, la energía transportada por la corriente se disipa constantemente. Este es el fenómeno de la resistencia eléctrica y la calefacción Joule .
La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electrónico no se puede resolver en electrones individuales. En su lugar, consiste en pares unidos de electrones conocidos como pares de Cooper . Este emparejamiento es causado por una fuerza atractiva entre los electrones del intercambio de fonones . Debido a la mecánica cuántica , el espectro de energía de este par de Cooper posee una brecha de energía , lo que significa que hay una cantidad mínima de energía energy E que se debe suministrar para excitar el fluido. Por lo tanto, si Δ E es mayor que la energía térmica de la red, dada por kT, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura , el líquido no se dispersará por la red. El fluido del par de Cooper es, por lo tanto, un superfluido , lo que significa que puede fluir sin disipación de energía.
En una clase de superconductores conocidos como superconductores tipo II , que incluyen todos los superconductores de alta temperatura conocidos , aparece una resistividad extremadamente baja pero no cero a temperaturas no muy por debajo de la transición superconductora nominal cuando se aplica una corriente eléctrica junto con un campo magnético fuerte. que puede ser causada por la corriente eléctrica. Esto se debe al movimiento de los vórtices magnéticos.en el superfluido electrónico, que disipa parte de la energía transportada por la corriente. Si la corriente es lo suficientemente pequeña, los vórtices son estacionarios y la resistividad se desvanece. La resistencia debida a este efecto es pequeña en comparación con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en experimentos sensibles. Sin embargo, a medida que la temperatura disminuye bastante por debajo de la transición superconductora nominal, estos vórtices pueden congelarse en una fase desordenada pero estacionaria conocida como "vidrio vórtice". Por debajo de esta temperatura de transición vítrea vórtice, la resistencia del material se vuelve verdaderamente cero.
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