فيزياء درجة الحرارة المنخفضة

خلف الجميلي · #1 25-12-2005, 14:32

.د.مصطفي كمال محمد يوسف
أستاذ فيزياء الجوامد (فيزياء المعادن)
قسم الفيزياء – كلية العلوم – جامعة المنصورة
فيزياء درجة الحرارة المنخفضة
( علم التبريد )

مقدمة
فيزياء درجة الحرارة المنخفضة هو العلم الذي يهتم بإنتاج وصيانة درجة الحرارة المنخفضة التي تقترب من الصفر المطلق( سالب 16و273 درجة مئوية) أي صفر كلفن ويهتم بالظواهر المختلفة التي تحدث فقط عند هذه الدرجة المنخفضة والمقياس المستخدم لدرجات الحرارة المنخفضة هو مقياس كلفن أو مقياس درجة الحرارة المطلقة والذي يرتكز علي سلوك الغاز الذي يعمل علي النحو المثالي . وفيزياء درجة الحرارة المنخفضة تسمي أيضا بعلم التبريد .

آلية الحصول علي درجة الحرارة المنخفضة
تتم درجات الحرارة المنخفضة جدا بواسطة إزالة أو سحب الطاقة من المادة . وهذا يتم بطرق مختلفة. أبسط الطرق لتبريد مادة بأن تكون ملامسة لمادة أخري تكون مبردة مسبقا عند درجة حرارة منخفضة جدا ويستخدم كل من الثلج العادي أو الثلج الجاف ( ثاني أكسيد الكربون المثلج ) أو الهواء السائل ( بعد تعرض الهواء لضغط عال ثم تبريده) بنجاح تام لتبريد المادة إلي ما يقرب من 80 كلفن أي تقريبا سالب 190 درجة مئوية حيث تزال الطاقة الحرارية بواسطة التوصيل من المادة المراد تبريدها إلي المادة الأكثر برودة الملامسة لها. فإذا كانت المادة الأكثر برودة هي الغاز السائل فمن مفهوم الحرارة الكامنة لتبخر السائل إلي الحالة الغازية فتزال تماما طاقة حرارية جديرة بالاعتبار من الغاز السائل من خلال عملية الامتصاص أثناء التحول عند التلامس بين المادة المراد تبريدها والغاز السائل فيعود الغاز السائل إلي طبيعته الغازية. فان العديد من الغازات السائلة تستخدم بهذه الطريقة لتبريد المادة لتصل إلي ما يقرب من 2و4 كلفن وهي نقطة غليان الهليوم .

مفهوم الغازات والسوائل لفاندرفال

لولا نظريات فان در فال (1837 – 1923) للغازات والسوائل التي اعتبرت بمثابة عصا سحرية في إنشاء معامل التبريد لدرجات الحرارة المنخفضة حيث استطاع كل من دي وار(J.Dewar ( في عام 1898 إلي تسييل الهيدروجين و الفيزيائي الهولندي هيك كاميرلنخ أونس (Heike Kamerlingh Onnes)
وكانت نقطة تحول كبيرة في العالم وبداية عصر جديد وهو عصر فيزياء درجة الحرارة المنخفضة وبداية لدراسة خواص المواد عند درجات الحرارة المنخفضة حيث استطاع كاميرلنخ أونس أن يحدث انخفاضا في درجة الحرارة تكاد تقترب من الصفر المطلق .
بدأت أعمال فان درفال بدراسة خواص الغازات والسوائل واستطاع أن يضع نظرية شاملة عن معادلة الحال للغاز أو السوائل وأستطاع أن يبرهن علي أن كلاهما تجمع من الحالتين السائلة والغازية ليس فقط في حالة اندماج في بعضهم البعض بل في نمط مستمر وأنهما في الحقيقة لهما نفس الطبيعة . واهتم بكل من مفهوم الحرارة علي أنها ظاهرة للحركة وبمفهوم القوي الفاصلة بين الجزيئات .

الغاز المثالي
هو ذلك الغاز الذي لا تعمل فيه قوي التأثير المتبادل بين الجزيئات ومعادلة الحال للغاز المثالي هي :

PV = n R T حيث أن
هو ضغط الغاز P
حجم الغاز V
درجة الحرارة المطلقة (بالكلفن) T
الثابت العام للغازات R
هي الجزيء الجرامي وهي تساوي النسبة بين كتلة الغاز إلي الوزن الجزيئي. n

غاز فان در فال
تصبح خواص الغاز أكثر اختلافا عن خواص الغاز المثالي كلما ازدادت كثافته وهذا يؤدي إلي تفاعل الجزيئات المختلفة مع بعضها البعض ويسمي هذا التفاعل بتفاعل فاندرفال تمييزا عن التفاعل الكيميائي بين الذرات الذي يؤدي إلي تكوين الجزيئات. لذلك نأخذ في الاعتبار الخواص الكمية الأساسية لقوي التأثير الجزيئي المتبادل ( التفاعلات الجزيئيه ) وهذا يفسر ما ينتج عن هذة التأثيرات المتبادلة في تجاذب الجزيئات علي المسافات الكبيرة و وهذا التجاذب جوهري للغاية لأنه بالذات يؤدي إلي تكثف الغاز ليصبح سائل .

تفاعل فان در فال ومعامل التبريد
يحد ث تفاعل فان درفال بين جميع الجزيئات بحيث يؤدي هذا التجاذب إلي اقتراب جزيئين من بعضهما البعض فيؤدي استمرار هذا التجاذب إلي جذب جزيئات أخري بغرض محاولة التقارب لبعضها البعض فتحقق هذه المحاولة في انتقال المادة إلي الحالة المكثفة سواء للحالة السائلة أو للحالة الجامدة .
من هذه الآلية أدي إلي إسالة الغازات والي تأسيس معامل التبريد لدرجات الحرارة المنخفضة جدا
والتي تقترب من درجة الصفر المطلق .

ظاهرة فائقية التوصيل الكهربائي
Super –conductivity phenomenon
في عام 1911 أي بعد اكتشاف إسالة الهليوم بثلاث أعوام اكتشف الفيزيائي كاميرلنخ أونس عند قيامه بأبحاثه العلمية مع مساعديه ظاهرة فائقية التوصيل الكهربي لبعض المعادن عند درجات الحرارة المنخفضة .
ففي درجات الحرارة المنخفضة ( بضعة درجات فوق الصفر المطلق ) تكون التوصيلية الكهربية لبعض المعادن ( البلاتين – الألمنيوم – الزنك – الرصاص – الزئبق وبعض المركبات المعدنية) أي قابلية مرور التيار الكهربي خلالها عاليا جدا دون وجود أي مقاومة كهربية أي تفقد المادة كامل مقاومتها الداخلية لسريان الكهرباء تقريبا. وهذا يتم عند درجة حرارة معينة تسمي بدرجة الانتقال إلي حالة فرط الموصلية الكهربائية وتسمي المواد التي تتميز بهذه الصفة بالمواد الفائقية التوصيل.
(Super Conductor Materials)

وهناك نوعان من المواد الفائقية التوصيل
مواد فائقية التوصيل من الطراز الأول وهي المواد التي تمتلك مقدرة إبعاد أو إزالة المجال المغنطيسي كليا أو جزئيا وتسمي أيضا بالمواد الفائقية التوصيل اللين (Soft (مواد فائقية التوصيل من الطراز الثاني وهي المواد التي تسمح بوجود الموصلية الفائقة والمجال المغنطيسي في نفس الوقت وكذلك باستمرار الموصلية المفرطة حتى في المجالات المغنطيسية العالية وتسمي هذه المواد أيضا بالمواد الفائقية التوصيل الصلدة Hard ومن أهم التطبيقات التي لوحظت علي المواد المستخدمة في الدوائر الكهربائية والتي تتميز بفائقية التوصيل الكهربي بأن لها مقدرة عالية لالتقاط أضعف الإشارات اللاسلكية وهذا ما يستخدم في الدوائر الكهربية الملحقة بالأقمار الصناعية.

فرط السيولة Superfluidity
السوائل التي تتميز بفرط سيولة التدفق هي مواد لها مقدرة التدفق دون مقاومة تذكر أي بدون احتكاك تقريبا عند درجة حرارة تقترب من الصفر المطلق.
نجد أن سائل الهليوم في درجات الحرارة المنخفضة يتمتع بخاصية التدفق المفرط أي تتلاشي لزوجته كليا في درجات الحرارة المنخفضة تكاد تساوي صفر.
كما أن سائل الهليوم في درجات الحرارة المنخفضة والتي تقترب من الصفر المطلق يتميز بإمكانية الانسياب
لأعلي دون توقف علي جوانب أي وعاء موضوع فيه مهملا قوي الاحتكاك والجاذبية.
يعتبر سائل الهليوم من سوائل التبريد لتميزه بحرارة نوعية منخفضة ونقطة الغليان عند 2و4 كلفن.
ويعتبر من أفضل الموصلات الحرارية عند درجة حرارة 2و2 درجة كلفن.

إناء دي وار
Dewar Flask
وهو عبارة عن وعاء زجاجي أو معدني مفرغ لمنع انتقال الحرارة.
يستخدم لتخزين الغازات السائلة حيث صمم لتقليل الفقد الحراري بالتوصيل و بالحمل وبالإشعاع لذلك يتكون من وعاء زجاجي من البيركس له جدارين وأسطح الجدارين من الداخل مطلي بالفضة لتقليل انتقال الحرارة بالإشعاع والمسافة الفاصلة بين الجدارين مفرغة تماما من الهواء لتقليل انتقال الحرارة بالتوصيل والحمل.
يستخدم إناء دي وار لتخزين سوائل التبريد مثل سائل النيتروجين ( نقطة غليانه 77 كلفن) وسائل الأكسجين (نقطة غليانه 90 كلفن ) أما بالنسبة لسائل الهليوم ( نقطة غليانه 2و4 كلفن ) وحرارته النوعية منخفضة لذا عند تخزينه يستخدم اثنين من إناء دي وار بحيث يوضع أحدهم في الآخر والمسافة الفاصلة بين الانائين تكون ممتلئة بسائل النيتروجين وذلك بسبب خواص الهليوم السائل من حرارة نوعية منخفضة ونقطة غليان منخفضة جدا .