奇妙的低温世界

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百科知识

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期刊代号:D421
分类名称:青少年导刊
复印期号:2003 年 02 期

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      数九寒天,北风刺骨,天寒地冻。我国北方地区气温在零下20多摄氏度,而在地球的两极则更寒冷,最冷的地方在南极为零下88.3摄氏度,被称为“世界寒极”。在月球的阴面,温度为零下160摄氏度,而在宇宙深处则更低,达零下270摄氏度左右。

      那么,寒冷到底有没有尽头呢?科学家回答:有,这就是“绝对零度”,为零下273.15摄氏度,用OK表示。这个“绝对零度”是理论上的数值,通过实验,科学家正在一步步向它逼近,在1958年,达到距离“绝对零度”只有五万分之一摄氏度的区域,又经过十几年的艰苦努力,终于创造了比“绝对零度”仅仅高亿分之三摄氏度的新纪录。

      低温就像一位神奇的魔术师,使物质的性质发生很大变化,温度越低则魔法越神奇,这些与我们的生活有着密切关系呢。

      空气在零下190摄氏度时会变成浅蓝色液体,属超低温世界。如果把鸡蛋放进去,它会产生浅蓝色的荧光,摔在地上会像皮球一样弹起来;鲜艳的花朵放进去,会变成玻璃一样光闪闪,轻轻一敲发出“叮当”响,重敲竟碎了;从鱼缸捞出一条金鱼头朝下放入液体中,看呀!金鱼再取出来变得硬邦邦,晶莹剔透,仿佛水晶玻璃制成的“工艺品”,再将这“玻璃金鱼”放回鱼缸的水中,奇怪!金鱼竟然复活了,又摆动着轻纱一般的尾巴游了起来……

      金属也怕冷

      金属在低温时内部结构会变得松散,称作金属的“冷脆现象”,危害很大。1913年俄罗斯的一支南级探险队,由于装汽油的铁箱是用锡焊的,一遇低温,焊锡变成粉末,汽油全部漏光,结果探险队全部遇难。后来凡是到南极北极或严寒地区,油箱一律不许用锡焊。不但锡怕寒冷,金属铝、镁甚至钢铁,也都害怕严寒。1938年和1940年,在比利时先后发生两座铁桥在严寒中轰然坍塌。1943年2月,美国纽约附近的一个直径12米的贮气罐突然破裂,经过调查,这些灾害都与低温有关,这就是金属冷脆现象引起的。只有金属铜和一些合金(比如铝合金、钛合金)不怕低温,所以在低温设备上,例如盛液态空气的容器,常常使用金属铜来制造。

      这种金属的冷脆现象也可以为人类造福。比如战场上布满地雷,探雷器可以找到它,但是排雷却很危险。如果将液态空气洒到这些地方,温度急剧下降,地雷中的金属弹簧就会变脆失去弹性,不能再爆炸。我们知道,一般粉碎机很难将硬度高、弹性大的材料粉碎,而用冷脆技术,不仅可以迅速粉碎,而且还可以控制颗粒大小。在电炉炼钢中,大部分原材料是回收的废钢,这些废钢的大小厚薄轻重都相差悬殊,在进炉前必须进行粉碎,一直是个难题。过去用1400摄氏度的电弧来切割,很费力,又污染环境,现在利用低温冷脆技术,一小时可以粉碎30吨。

      在食品工业、中草药加工、医疗手术、涂料制造业等方面低温技术也广有用途。再如,清除海上石油污染是一大难题,现在设计出低温清污法,从漂浮的石油层下喷洒液氮,水面上石油迅速凝结成颗粒,再将这些颗粒铲走,而对于水中的生物却没有任何影响,可以很好地保护海洋环境。

      超导显神威

      低温魔术师最出色的表演,当属超导现象。1911年,荷兰科学家卡麦林·翁纳斯在低温实验中意外发现:当温度降至零下269摄氏度时(液氦温区),水银的电阻忽然消失了,这就是“超导现象”,原来超低温使物质变成了新物态——超导态。

      接着人们又做了一个有趣的实验,用金属铅做成一个圆环,放入接近绝对零度的超低温中,这时铅的电阻消失了,在环中通上电流,然后截断电源,将整套仪器封闭起来。经过两年以后,人们把仪器打开,测量环中的电流强度,发现几乎没有什么变化!原来“超导环”的电阻为零,几乎没有一点能量损失,所以环中的电流可以几年、十几年、几十年经久不衰!

      多年来,人们一直寻找能用来传输电流的超导材料,因为意义太重大了,那将引起电力工业的一场划时代的革命。因为目前世界上的电能约有四分之一损耗在输电线路上,如果使用没有电阻的超导材料做输电线路,再采用一些绝热技术,就实现了“无损耗输电”,实际上等于增加了发电量。在世界能源紧张的今天,这可是一笔可观的财富啊!

      各国都在抓紧研究低温超导材料,寻找能在较高的低温中的超导材料。科学家利用超导材料,制成了小巧的冷子管。冷子管的构造并不复杂,它是由两根彼此绝缘、互相交叉的钽丝和镎丝,浸在液态氦中制成。冷子管体积很小,非常省电,100万个冷子管只需0.5瓦电源即可。由冷子管制成的电子微波放大器,是最灵敏的仪器。因为它可以避免分子热骚动带来的误差,使微波得到有效的放大,精密度极高。目前利用它测量从极其遥远星球射来的微弱光线,探索宇宙的秘密。

      最近科学家设计制造出实用超导电缆,利用一种合金氧化物(钇钡铜氧)制成几毫米的带子,缠绕在装有流动液氮的管子上,再加上几层绝热层,一根超导电缆就制成了。超导电缆的输电能力是铜的3~4倍,具有实用价值。

      当前低温超导技术实际的应用广泛,超导磁体是其中最重要的一方面。把超导金属丝绕成线圈,降至超低温以后通上电流,利用电流的磁效应就制成超导磁体。超导磁体没有电阻,就没有热损耗,很容易产生强大的磁场,而且非常节省电力,5万高斯的强磁场只需几百瓦功率的电源,过去通常一个产生5万高斯强磁场的磁体重量达20吨,而利用超导磁体,重量只有几公斤,就是再加上制冷绝热设备,也还是轻得多。

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