Действие низких температур на живой организм. Способы получения низких температур

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

Реферат

на тему:

Действие низких температур на живой организм. Способы получения низких температур.

Подготовила: студентка 1 курса

13 группы факультета ВМ и БТ

Джакипова Лаура Турегалиевна

Проверила: Урмашова Надежда

Ивановна

Оренбург 2011

“Космический” холод на службе человека

Издавна огонь даровал людям тепло, свет и жизнь, а холод нес с собой ужас и смерть. Сотни лет назад люди строили храмы в честь огня, и лишь в середине XX века на Земле появились храмы, воздвигнутые человеком “в честь холода”. С помощью холода раскрыты такие феномены физики и биологии, которые удивляют, поражают воображение.

В настоящее время большого внимания заслуживает использование технологии криоконсервирования генетического материала (в животноводстве), технология замедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературной обработки (растениеводство). Созданы хранилища, позволяющие длительное время сберегать кровь, материнское молоко, спинной мозг и другие живые биологические ткани.

Известно, что холод значительно повреждает клетки. Это ведет к их гибели. Защита клеток от пагубного действия холода обеспечивается особыми добавками и специальными химическими веществами, получившими название криофилактиков. Усилия физиков, химиков, медиков и биологов привели к потрясающим результатам. Теперь возможно и широко применяется пересадка больным консервированного с помощью низких температур костного мозга – цельной кроветворной ткани. Холод стал помощником нейрохирургов, проникающих в глубины мозговой ткани, вошел в арсенал оториноларингологов, использующих его для удаления миндалин. Офтальмологи с помощью метода криоэкстракции удаляют катаракту. Кардиологи после процесса замораживания теперь могут извлечь тромб из глубоко расположенных переферических сосудов-артерий и вен.

В 1964 году в Филадельфии увидел свет первый ребенок – плод искусственного осеменения сперматозоидом, в течение нескольких лет хранившимся при низкой температуре. Учеными был разработан метод консервации: жидкая сперма покрывалась защитной смесью яичного желтка с глицерином и мгновенно замораживалась, когда ее погружали в жидкий азот. Сохраняемую таким образом сперму можно довольно просто разморозить. Для этого ее надо погрузить в тепловатую воду, имеющую температуру человеческого тела. В настоящее время уже родилось сотни тысяч детей, зачатых методом искусственного оплодотворения. Этот же метод широко используется в животноводстве для искусственного осеменения скота.

Тесная взаимосвязь физических, химических и биологических явлений позволяет утверждать, что исследование эффекта криовоздействия в любой конкретной области может привести к фундаментальным открытиям, что, в свою очередь, необходимо для создания технологии будущего.

Способы получения низких температур.

Термодинамическая температура

Классическая термодинамика подразумевает скрытое движение частиц, выражаемое температурой. Это положение является в термодинамике столь важным, что его иногда называют нулевым началом термодинамики, чтобы подчеркнуть его принципиальное значение как исходной предпосылки, и формулируют в виде аксиомы: все тела при тепловом равновесии обладают температурой.

Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Чем быстрее они двигаются в веществе, тем выше его температура. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина. Кельвин (К) – единица термодинамической температуры – одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ). Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0° С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением

Т = 273,15 K + t.

Бесконечно малое изменение температуры в градусах шкалы Цельсия и Кельвина одно и то же :

dT = dt

Повседневный опыт убеждает нас в том, что при контакте двух тел с разной температурой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому и температуры обоих тел становятся равными. Передача тепла от менее нагретого тела к телу более высокой температуры никогда не происходит самопроизвольно. Чтобы осуществить такую передачу, надо затратить энергию – механическую, электрическую, химическую или какую-нибудь другую.

Передачу тепла от холодного тела в окружающую среду, имеющую более высокую температуру, можно рассматривать как получение холода. Тогда под холодом надо подразумевать количество тепла, которое отнимается от охлаждаемого тела. Количество холода не пропорционально затраченной работе: чем ниже температура охлаждаемого тела, тем больше нужно работы, чтобы получить то же количество холода. Особенно сильно возрастает затрата работы на охлаждение вблизи абсолютного нуля. Например, чтобы получить холод на температурном уровне 3 К (–270° С), нужно затратить в 1000 раз больше работы, чем для получения того же количества холода при температуре 270 К (–3° С). При абсолютном же нуле затрата работы для получения холода должна быть равна бесконечности. Это показывает, что охладить тело точно до 0 К вообще невозможно.

Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например, мягкая и упругая резина становится при температуре около 200 К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло. Так же ведут себя многие металлы, например, сталь, свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры увеличивает прочность, оставляя им достаточную пластичность. Таковы, например, медь, ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготовляют аппараты, которые используются при низких температурах.

Холодильник

Хотя обратимость циклов в тепловой машине использовалась во многих рассуждениях и теориях, очень долго никому не приходило в голову, для чего может понадобиться на практике тепловая машина, которая работала бы в обратном направлении. Идея комнатного холодильника возникла сравнительно недавно. Комнатный холодильник, набитый льдом, появился в квартирах лишь в середине прошлого века, а электрический холодильник, который стоит сейчас в каждой кухне, появился в продаже лишь в первых десятилетиях нашего века.

Если оставить в стороне конструктивные соображения, то холодильник работает по тому же принципу, что и тепловая машина, только все операции проводятся в обратном направлении. При изотермическом расширении на этапе ге количество теплоты DQ2 от холодильника переходит к охлаждающему газу. Дальше газ адиабатически сжимается до давления, отвечающего точке б, в которой газ вступает в контакт с нагревателем (комнатой) и где он в процессе изотермического сжатия до точки а передает нагревателю (в действительности – просто воздуху комнаты) количество теплоты DQ1. На это затрачивается работа. На последнем этапе газ адиабатически расширяется и “возвращается” в точку в. В холодильном цикле на участке вба работает компрессор. Комнатный холодильник охлаждает продукты и нагревает комнату.

Несколько систем холодильников было разработано в России на основе полупроводниковых термобатарей. В них нет ни движущихся жидкостей, ни моторов, ни компрессоров. В заднюю стенку холодильного шкафа вмонтирована небольшая плитка, собранная из полупроводниковых термопар. Она соприкасается с двумя радиаторами: один выходит наружу холодильника, другой расположен внутри него. Полупроводниковый выпрямитель преобразует переменный ток электросети и питает холодильник постоянным током. Холодильник действует совершенно не изнашиваясь. Созданы также холодильники-малютки для научных исследований, для их использования в медицине и т.д.

История изобретения холодильных аппаратов и достижений в получении низких температур

Интерес к получению низких температур возник не только из практических соображений. Физиков давно интересовал вопрос, можно ли превратить в жидкость газы – такие, как воздух, кислород, водород. Начало этой истории относится к 1877 году, когда горный инженер из французского города Шатильон Кальете обнаружил капли жидкого ацетилена в лабораторном сосуде, в котором неожиданно открылась течь. Резкое понижение давления вызвало образование тумана.

Почти в те же дни Пикте сообщил из Женевы о последовательном, каскадном сжижении разных газов, завершившемся получением жидкого кислорода при температуре –140°С и давлении 320 атмосфер. Температура в опытах Кальете оценивалась в –200°С.

Техники занялись постройкой холодильных аппаратов. В 1879 году из Австралии в Англию отправился первый рефрижератор, груженый мясом. По-видимому, первый из патентов на холодильные устройства, датированный 1887 годом, был выдан Сименсу. Уже в 1888 году в Астрахани была построена большая холодильная машина для замораживания рыбы. А двумя годами ранее газета “Петербургский листок” писала: “...дело дошло до поставки на дом холодной температуры. Для этого предлагается устроить резервуары с концентрированным аммиаком, который, испаряясь, произведет весьма заметное понижение температуры”.

Все методы сжижения были основаны на охлаждении газа при расширении с совершением работы (в поршневом или турбинном двигателе) либо при расширении в пустоту, когда работа совершается против сил притяжения молекул внутри самого газа. В 1898 году Дьюар получил жидкий водород, снизив температуру примерно до 20 К. Жидкий воздух был получен Клодом в 1902 году. Наконец, в 1908 году Камерлинг-Оннес в Голландии получил жидкий гелий. Температура, которая была им впоследствии достигнута, только на один градус отличалась от абсолютного нуля. В 1939 году П. Л. Капица доказал большую эффективность ожижительных машин, в которых газ совершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили с тех пор большое распространение. Он же предложил и конструкцию эффективной установки сжижения гелия.

Современные способы получения низких температур

Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия 3Не.

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур – это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Первый метод – дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, и газ охлаждается. Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа ожижается.

У каждого газа есть определенная температурная точка – инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Поэтому применять метод дросселирования можно только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (–80° С), а у гелия даже 33 К (–240° С).

При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается. Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. На рисунке 2 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атмосфер. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11-12 К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике.

Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух – своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Жидкий гелий представляет собой бесцветную легкую жидкость, плотность которой в 8 раз меньше, чем у воды. Он кипит под атмосферным давлением при температуре около 4 К. Жидкий гелий используется обычно для охлаждения исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю. Водород, азот и другие газы сжижают примерно теми же методами, но соответственно при более высокой температуре.

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений – сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах и могут быть объяснены только с помощью квантовой механики.

Получение сверхнизких температур

При низких температурах прекращается почти всякое движение атомов – поступательное, вращательное. Однако даже при температурах, меньших 1 К, спины атомов продолжают вести себя как атомы идеального газа – они обмениваются энергией (хотя и слабо), и их положение в пространстве может изменяться почти свободно. В таких элементах, как редкоземельные, электроны заполняют внутренние оболочки атомов, и их спины почти не чувствуют других электронов. Следовательно, и магнитные моменты ведут себя, как свободные.

На этом свойстве электронов основан метод получения сверхнизких температур – магнитное охлаждение. Он был предложен в 1926 году Джиоком в США и независимо (даже несколькими неделями раньше) Дебаем в Германии. Этим методом были достигнуты температуры примерно 0,003 К. Более низких температур получить таким способом не удается, так как спины перестают двигаться свободно, их упорядоченность, возникающая из за взаимодействия между ними, не разрушается слабым тепловым движением атомов.