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低溫物理學

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低溫物理學 (英語:Cryogenics),又稱低溫學,是物理學的一個分支,主要研究物質在低溫狀況下的物理性質的科學,有時也包括低溫下獲得的生成物和它的測量技術。在低溫物理學中的低溫定義為 -153°C( -243°F,即120 K)以下的溫度。

19世紀,英國物理學家法拉第在一次實驗中偶然液化氯氣,他由此認為一切氣體在低溫高壓的情況下都可以被液化。到了1840年代,法拉第本人已經成功液化了當時大多數的已知氣體,只有氧氣氮氣氫氣一氧化碳二氧化氮甲烷六種氣體無法液化,而且創出當時的最低溫度( -110°C, 163K)。隨後,低溫設備不斷被改良,逐級降溫定壓氣體膨脹方法開始廣泛應用。1898年英國物理學家杜瓦成功液化氫氣,標誌著這六種氣體都能夠被液化。1895年,英國化學家從礦石中分離出更難液化的氣體——氦氣。直至1908年,才成功被荷蘭萊頓大學的物理學家海克·卡末林·昂內斯液化,同時令低溫記錄創下新低( -269°C, 4K)。之後,昂內斯獲得1913年的諾貝爾物理學獎

1911年,昂內斯意外發現以( -268.8°C, 4.2K)的液氦冷卻時,電阻突然驟降到接近零歐姆(0Ω),此現象即為超導現象。隨後,他又發現在低溫下也和汞一樣具有相似的超導特性。超導效應的發展前景可觀,如果能使超導材料在室溫下應用,將能大大提高輸電的效能,延長材料使用的壽命,降低熱損耗。近年,物理學家正不斷尋找超導轉變溫度(Tc)更高的超導材料。目前,高溫超導體已經成為凝聚態物理學中最熱門的研究領域。

定義與差別

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低溫物理學

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低溫物理學是研究如何有效率製造低溫環境,並研究物質於低溫狀態下的變化,例如,粒子震動的變化。此外,低溫物理學常用絕對溫度(K)及蘭金溫標(°R)為溫度標準,很少會使用攝氏(°C)及華氏(°F)。

低溫生物學

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低溫生物學是生物學的分支之一,主要研究生物器官在低溫下的狀態及影響。低溫生物學最熱門的研究為低溫繁殖技術

人體冷藏學

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人體冷藏學是一項尚未成熟的技術,目的是要冷卻人體動物,並希望能在未來使其復活。人體冷藏學與低溫生物學不同,現時並沒有一個實際而成功的例子。部份人對其可行性有所懷疑,其中有不少是科學家及醫生。而且,人體冷藏學還需要面對其相關學科的應用,如低溫物理學、低溫生物學、流變學醫學等等,令其實現增添難度。

低溫標準

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低溫物理學的英語(Cryogenics)源自希臘語,字面意思是「the production of icy cold」,即「冰凍的產物」,又可解作「在低溫狀態」的類義字。但是,仍沒有為低溫定下標準,因而沒有說明需要製冷至幾度才是低溫物理學的範疇。美國國家標準技術研究所NIST, National Institute of Standards and Technology)指出,一般而言溫度必須低於 -153°C,即120 K,才併入低溫學範疇[1]。這溫度易於區隔常用冷媒與液氧、液氮等。

工業應用

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工業應用上製造液化氣體,如液態氮液態氦,其中也會使用到低溫物理學的技術。

參考文獻

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參見

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  1. ^ About Cryogenics. trc.nist.gov. [2023-05-23]. (原始內容存檔於2023-05-08).