Место модуля-дисциплины в освоении ООП

Профессиональный цикл.

Дисциплины профиля

Данная дисциплина опирается на такие дисциплины, изученные студентами ранее, как «Химия», «Молекулярная физика», «Дифференциальные уравнения», «Физика конденсированного состояния», «Термодинамика», «Физика и техника высоких давлений», «Введение в структурный анализ», «Квантовая теория».

Знания, умения и навыки, полученные при изучении дисциплины, одной из основных по профилю направления, читаемой в последнем семестре обучения, могут быть востребованы при изучении курса «Свойства веществ при низких температурах» и при подготовке выпускной квалификационной работы.

Требования к результатам освоения модуля-дисциплины В результате освоения модуля-дисциплины студент должен

Знать:

теорию и методы физических исследований в области физики и техники низкотемпературного эксперимента, физики и техники высоких давлений, методов структурных исследований (СК3);

Уметь:

использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ОК-1);

использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);

использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4).

Владеть (методами, приемами):

эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3);

представлять результаты физических исследований в профильных англоязычных журналах и на международных конференциях (СК4).

Краткое дидактическое описание модуля-дисциплины (обобщенно описать особенности освоения курса, обучающие технологии, авторские приемы и методическую новизну в преподавании дисциплины)

Все занятия проводятся с обязательным использованием электронных презентаций. Практическая часть курса проходит в лабораториях и криогенной станции, что позволяет формировать практические умения. На практических и лабораторных занятиях используется новейшая криогенная аппаратура.

Трудоемкость модуля-дисциплины 2 з.е.

РАЗДЕЛ 3. СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ-ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Разделы и темы модуля-дисциплины, их содержание*

Содержание разделов дисциплины

3.1.1. Тема 1. Низкотемпературные проблемы и возможности ожижения газов. Методы ожижения газов. Воздухоразделение.

Получение низких температур. Ожижение газов. Историческая справка. Хладоагенты современной криогенной техники. Температура и энтропия. Фазовые диаграммы. Газ и пар. Тройная точка. Критическая температура. Общие принципы охлаждения. Закон Нернста.

Холодильные процессы и циклы. Коэффициент охлаждения. Методы ожижения газов (поршневой и турбодетандер, дросселирование, положительный и отрицательный эффект Джоуля- Томсона, температура инверсии, выхлоп).

Термодинамические особенности процесса охлаждения в низкотемпературной области. Холодильные термодинамические циклы. Холодопроизводительность, холодильный коэффициент, термодинамический кпд. Изотермическое сжатие реального газа как составная часть криогенного цикла. Компрессоры. Процесс дросселирования идеального и реального газа. Изображение процесса на диаграмме температура-энтропия. Основы расчета дроссельных систем. Условия получения положительного и отрицательного эффектов Джоуля-Томсона. Условия получения максимального охлаждения. Холодопроизводительность процесса дросселирования. Процесс расширения идеального и реального газа при условии постоянства внутренней энергии. Равновесное адиабатическое расширение газа с совершением внешней работы; сравнительная характеристика термодинамической эффективности этого процесса по отношению к процессу дросселирования. Холодопроизводительность процесса. Расчет основных параметров процесса. Использование термодинамических диаграмм. Поршневые детандеры. Принципиальное устройство. Основные характеристики. Теоретическая и действительная индикаторные диаграммы. Изображение процессов на диаграмме температура-энтропия. Основные виды потерь в поршневых детандерах. Турбодетандеры. Принципиальное устройство и основные разновидности. Сравнительная характеристика поршневых и турбодетандеров. Общая характеристика процессов в турбодетандерах. Изображение процессов на диаграммах энтальпия-энтропия. Основные виды потерь. Процесс свободного выпуска газа из баллона.

Минимальная работа криогенной системы. Основные термодинамические характеристики холодильного цикла. Характеристики реальных криогенных циклов. Идеальные циклы криогенных систем: криогенное термостатирование, охлаждение, ожижение.

Однопоточный каскадный цикл с дросселированием газовой смеси.

Циклы с предварительным охлаждением, дросселированием и детандированием. Термодинамические характеристики наиболее распространенных схем. Циклы с параллельным включением детандеров. Циклы с турбодетандерами.

Детандерные циклы. Простой детандерный цикл. Детандирование с двумя ступенями охлаждения. Комбинированные дроссельно-детандерные циклы. Циклы Клода-Гейландта среднего и высокого давлений. Цикл низкого давления с турбодетандером. Циклы Коллинса, влияние числа ступеней на термодинамическую эффективность цикла. Циклы с дросселированием. Цикл Линде-Хемпсона. Роль регенеративного теплообмена. Цикл с предварительным охлаждением и дросселированием. Циклы для ожижения водорода и гелия. Каталитическая конверсия водорода в ожижительном цикле. Цикл ожижения гелия со встроенным водородным циклом. Водородный цикл Капицы-Кокрофта. Циклы с двойным дросселированием, их термодинамическая эффективность. Гелиевый рефрижератор Гиффорда-Мак-Магона

Основы термодинамического расчета криогенных систем. Метод энергетического баланса для расчета криогенных систем. Уравнения энергетического баланса для отдельных ступеней охлаждения: ступени предварительного охлаждения, детандирования, дросселирования. Ступени рефрижераторных и ожижительных циклов.

Принципы получения продуктов разделения воздуха. Состав воздуха (концентрация газов, входящих в состав воздуха). Практическая значимость продуктов разделения воздуха. Объемы получаемых основных продуктов разделения воздуха в масштабе мирового производства Основные методы получения продуктов разделения воздуха: криогенный (подробное описание метода), адсорбционный, диффузионный.

Принцип работы криогенных воздухоразделительных установок. Скрубберы и блоки комплексной очистки воздуха.

3.1.2. Тема 2. Свойства криогенных жидкостей (азот, водород, гелий). Характерные температуры, теплота испарения, особенности жидкого гелия (Не-4, Не-3, сверхтекучесть).

Азот. Свойства газообразного и жидкого азота. Способы получения жидкого азота. Применение жидкого азота в криогенной и ракетно-космической технике.

Применение водорода в криогенной технике. Основные промышленные методы его получения. Орто- и пара- модификации водорода. Влияние орто- и пара- конверсий на свойства водорода как криогенного хладоагента. Дейтерий и тритий как криогенные жидкости.

Распространенность Не-4 и Не-3 в природе. Методы и технологии получения газообразных Не-4 и Не-3 в промышленных масштабах. Области практического применения гелия. Не-4: диаграмма состояния и физические характеристики при низких температурах. Особенности применения Не-4 в качестве криогенного хладоагента. Твердый Не-4. Эксперименты по его получению. Диаграмма состояния Не-4 в области кристаллизации. Основные физические свойства твердого Не-4.

Диаграмма состояний и физические свойства Не-3 в низкотемпературной области. Применение Не-3 в качестве криогенного хладоагента.

Физические свойства жидких Не-4 и Не-3.

Характер изменения физических свойств Не-4 в области -перехода.

Основополагающие эксперименты и экспериментальные данные по изменению плотности, давления насыщенного пара, теплоты испарения, теплоемкости, теплопроводности, вязкости, электрических характеристик жидкого гелия. Влияние давления на -переход.

Гелий-II.(He-II). Физические свойства. Сверхтекучесть Не-II. Течение Не-II в капиллярах и тонких пленках. Сверхщель.

Основные положения двухжидкостной модели, ее экспериментальные подтверждения. Особенности переноса тепла в Не-II. Проявление этих особенностей в физическом эксперименте. Роль сверхтекучей и нормальной компонент в переносе тепла.

Механокалориметрический и термомеханический эффекты. Эффект "фонтанирования". Распространение акустических колебаний в Не-II. Первый, второй и четвертый звук.

Конденсация Бозе-Эйнштейна и сверхтекучесть гелия. Квантовая природа явления сверхтекучести. Возникновение сверхпотоков в других физических системах. Основы квантово-механической теории сверхтекучести.

Волновая функция конденсата. Потенциальный характер сверхтекучего течения. Уравнение для скорости сверхтекучей компоненты.

Элементарные возбуждения в сверхтекучем гелии. Ротонный спектр. Критерий сверхтекучести Ландау. Критическая скорость сверхтекучего течения гелия, ее экспериментальное измерение. Аэродинамическая труба для сверхтекучей жидкости.

Вращение сверхтекучей жидкости. Квантование циркуляции. Образование вихрей в сверхтекучем гелии. Структура и взаимодействие вихрей. Упругие свойства вихревых нитей. Экспериментальные методы обнаружения квантовых вихрей в сверхтекучем гелии. Вихревые нити во вращающемся Не-II. Критическая скорость образования вихря. Вихревая структура вращающегося Не-II. Верхняя критическая скорость.

Не-3 как ферми-жидкость. Сверхтекучесть Не-3, основные экспериментальные результаты. Фазовая диаграмма сверхтекучих фаз Не-3. Сверхтекучий Не-3 в магнитном поле.

Электроны в жидком гелии. Методы введения и исследования их движения. Экспериментальные результаты по измерению подвижности электронов и ионов в жидком Не-4 и их интерпретация. Левитирующие электроны. Критическая концентрация.

3.1.3. Тема 3. Методы получения сверхнизких температур (температур криогенного диапазона). Современные методы получения температур ниже 1 К: адиабатическое размагничивание парамагнитной соли, растворение Не-3 в Не-4, адиабатическая кристаллизация Не-3.

Адиабатическое размагничивание парамагнитных солей.

Растворение Не-3 в Не-4.

Сжатие твердого Не-3 (эффект Померанчука). Использование эффекта Померанчука для получения низких температур.

3.1.4. Тема 4. Сосуды для хранения криогенных жидкостей. Криостаты для работы с ними и криокулеры. Конструкции, способы уменьшения тепловых нагрузок. Устройства для переливания криожидкостей (сифоны) и измерение их уровня.

Адиабатическое размагничивание парамагнитных солей. Принципиальное устройство криостатов, особенности их эксплуатации, рабочие вещества, эксплуатационные характеристики. Криостаты с многоступенчатым охлаждением. Рефрижираторы растворения Не-3 в Не-4. Физические основы работы, Конструкция, рабочие характеристики и особенности эксплуатации рефрижираторов растворения. Использование эффекта Померанчука для получения низких температур. Конструкции криостатов, рабочие характеристики, особенности и порядок эксплуатации. Переливание криогенных жидкостей. Термоакустические колебания в трубах. Лабораторная система заливки гелия в криостаты. Методы и системы измерения уровня криогенных жидкостей.

3.1.5. Тема 5. Термометрия в криогенике. Первичные и вторичные термометры. Характеристика и калибровка термопар, термометров сопротивления, емкостных термометров.

Термодинамические принципы построения температурной шкалы. Практические температурные шкалы. Национальные и международные температурные шкалы. Единственность ПТШ. Абсолютная термодинамическая шкала температур. Возможность ее воспроизведения. Первичные и вторичные термометры. Точность, чувствительность, стабильность термометров. Газовый термометр. Газовая термометрия с реальным газом. Конструкции газовых термометров, их характеристики. Поправки на сорбцию, "вредный объем", гидростатическое и термомолекулярное давление. Газовая термометрия на основе температурной зависимости диэлектрической проницаемости и коэффициента преломления. Экспериментальная реализация. Применение газового термометра в физическом эксперименте. Ядерный ориентационный термометр. Международная практическая шкала температур. Принципы построения. Единственность МПТШ-68 и отклонения от абсолютной термодинамической шкалы при низких температурах. Практическая температурная шкала ПТШ-76. Реперные точки ПТШ-76. Основные реперные точки МПТШ-68 и методы их реализации. Установление температурной шкалы в интервале между реперными точками. Стандартизация измерений низких температур.

Методы и приборы для измерения температуры в интервале 13.81-273.16 К. Государственный первичный эталон в этом диапазоне.

Методы и приборы для измерения температуры в интервале 5.2-13.81К. Государственный первичный эталон в этом интервале. Государственный специальный эталон в диапазоне 1.5-4.2 К. Вторичные термометры. Их назначение, требования, предъявляемые к ним, их основные эксплуатационные характеристики. Особенности измерения температуры быстропротекающих процессов. Платиновый термометр сопротивления. Интерполяционные формулы для платиновых термометров. Термометры на основе зависимости электросопротивления металлов от температуры. Критерии выбора материала чувствительного элемента для термометров этого типа. Использование металлов с магнитными примесями. Составные термометры. Термометры сопротивления на основе полупроводников. Германиевые термометры сопротивления. Особенности конструкции и основные эксплуатационные характеристики. Кремниевые термометры и термометры на основе арсенида галлия. Угольные и стеклоуглеродные термометры сопротивления. Термисторы. Влияние магнитного поля на термометры сопротивления. Единственное старение и тепловая тренировка низкотемпературных термометров сопротивления. Диоды в качестве низкотемпературных термометров. Емкостные и индуктивные низкотемпературные термометры. Термоэлектрические термометры для измерения низких температур. Материалы для термоэлектродов. Требования стандартизации термоэлектрических измерений. Основные источники погрешностей при измерении температуры термопарами. "Тепловое заземление" термоэлектродов. Методы стабилизации температуры сплавов сравнения термопар. Градуировка низкотемпературных электрических термометров. Криостаты сравнения.

3.2. Соотношение разделов/тем модуля-дисциплины и проектируемых результатов