Transcript 奇妙的低温世界

低
温
世
界
参与人员：程志威 谷素梅 毛德清 吴柯儒
张德锐
2011.10
低温的概念
凡是低于环境温度的都称为低温。
但确切的说，高于123K（-150℃）为制冷
（Refrigeration），又称普冷；低于123K
（-150℃）为低温（Cryogenics）
低温的小常识
低温人体冷冻
低温下的超导
低温涉及各个方面
低温常识

人类早已踏上了月球，在月球的表面上，“白天
”的温度可达127℃。太阳落下后，“月夜”的气温
竞下降到-183℃。
-170℃中，
最简单的微生物
能够尘存，观察
表明，大肠杆菌
、伤寒杆菌均能
在 -170℃下生
存，这可能是生
命存活的低温极
限。
地球上的低温地带
 我国的最低气温为-50℃，中国最北的气象站——是
哪里呢？你知道吗？
黑龙江省漠河气象站
 它在1969年2月13日，测得气温为-52.3℃。
地球上的低温地带
 世界上最不怕冷的花——是什么花，你知道吗？
 在-50℃的严寒中，它也能盛开。
中国的雪莲
地球上的低温地带
 地球上的最低气温出现在南极最高峰——文生峰，这
里年平均气温为-129℃。
低温状态下的物质
 在-190℃以下的低温下，空气会变成浅蓝色的液体，
叫做“液态空气”；
 若把梨子在液态空气里浸过，它会变得像玻璃一样脆
；
 石蜡在液态空气里，像萤火虫一样发出荧光。
低温状态下的物质
 把鸡蛋放进-190℃的盒子中，能产生浅蓝色的荧光，
摔在地上会像皮球一样弹起。
鲜艳的花朵会像玻璃一样亮闪闪，轻轻
地一敲，发出“叮当”响。
怕“冷”的金属
• 低温时，金属的内部结构
会变得松散--金属的“冷
脆现象”。
• 锡，铝、镁甚至钢铁也都
怕冷。
只有金属铜和一些合金（如铝合金、钛合金等）不怕
低温。所以对于低温设备，如盛液态空气，常使用金
属铜作容器
非金属
 非金属材料一般是沒有磁性的，但在-230℃
以下的低溫下也能表現出磁性，這種奇妙的
磁体适用于制造新型计算机存储设备，绝缘
设备等，但这些材料在溫度超过-230℃時就
失去磁性，因此，-230℃是非金属材料表现
出磁性的最高临界溫度。
低温烫伤
温馨提示：
原因：
1、用电热毯，温度
皮肤长时间接
不要设得过高，也不
触高于体温的
要整夜使用，更不要
低热物体
长时间地贴近暖气片
等取暖设备。
2、热水袋不要灌水
太满，装70%左右热
水即可，水温不要太
热，并赶尽袋内的空
气
低温分子美食
 分子料理，Molecular
Kitchen，又被译作分子
美食，分子厨房。它源
自18世纪，后来被匈牙
利物理学家Nicholas
Kurti及法国化学家
Herv This重新提出，成
为一种以科学角度，解
构食材，将之变成形态
不同、味道不变的烹调
方法，创出饮食新体验
。
冬泳
 冬泳是一种使
躯体和神经高
度紧张的运动，
经过这种强度
剌激之后，人
会奇妙地松弛
下来，疲惫和
烦恼常常能烟
消云散。
冬泳误区
 误区一，以为冬泳包治百病。
 误区二，以为所有的人都适合冬泳。
 误区三，以为游的时间越长越能锻炼身体。
小实验
 从鱼缸捞出一条金鱼放进-190℃的液体中，
金鱼就变得硬梆梆，晶莹透明，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，金鱼说不定会复活哦。
那么金鱼会不会复活呢？
思考:
 用液氮冷冻的金鱼为什么能复活呢？
 如果换成一条大鱼，实验是否也能成功？
因为在液氮的低温状态下，物体内能极
小，分子运动几乎停止，在解冻后分子
变化与受冻前相比不大，也就是相当于
机体还没反应过来就恢复正常了！
但是要做到这点，必须要速冻，如果速
度不够，体内水份结晶将会刺破细胞壁、
细胞器…
这个实验也是用小鱼做的，如果是大鱼，
就会导致鱼中心冰冻速度不够而死亡！
人体
冷冻
技术
简介：
 人体冷冻技术(或人体冷藏)，是一种试验中
的医疗科学技术，把人体或动物在极低温（
摄氏零下196度以下）的情况下冷藏保存，
梦想未来能通过先进的医疗科技使他们解冻
後复活及治疗。
 人体冷冻技术被美国生活科学(Live
Science)列为十大人脑未解之迷之一。该技
术也被国外杂志列为十大超越人类极限的未
来科学技术。
冷冻第一人
 1967年1月12日——美国物理学教授詹
姆斯·贝德福德因肺癌去世后，成为第
一例用人体冷冻技术贮存遗体，期望将
来复活的人。
实例
 俄罗斯科学院教授、莫斯科胚胎学家奥古鲁
夫医生最近透露：一个600年前被积雪掩埋
的孕妇，她体内的胎儿竟成功地接生下来，
活了72小时，创造了医学史上的奇迹。
 公元18世纪，一名瑞典农民倒在雪地里，全
身都冻僵了，看上去跟死了一样。其家人甚
至把他装入棺材，准备下葬。但一位过路的
医生发现了他一丝生命迹像，于是给他解冻
，最后这位农民真的苏醒过来。
但是...
如果这样
 冰墓设备先进
 完全自动管理
 甚至不怕停电和地震等灾害
20万美元/每具
对生命速冻的看法
• 首先，“速冻冷藏”处置必须在生前活着
时去做，实际很难确定，甚至会有谋杀的
嫌疑；
• 其次，对“冰墓”中的人如何称呼？委婉
地称其为“患者”，事实上已停止心跳和
呼吸，与普通患者完全不同；
• 这些涉及法律和道德上的新问题也是现代
新科技为人类带来的新问题。
波色爱因斯坦凝聚态
 如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到
不能再冷下去，比如说，接近绝对零度（273.15℃）吧，在这样的极低温下，物质又
会出现什么奇异的状态呢？
 这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变
成了同一个原子，再也分不出你我他了！这
就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态
（BEC）（以下简称“玻爱凝聚态”）。玻
色-爱因斯坦凝聚态
 根据量子力学中的德布洛意关系，
 一个实物粒子的能量为E、动量大小为p，跟它们
联系的波的频率μ和波长λ的关系为（普朗克常
数h、粒子静质量m、粒子速度v）
E＝mc^2=hμ
p=mv=h/λ
λdb=h/p。粒子的运动速度越慢（温度越低），
其物质波的波长就越长。当温度足够低时，原子
的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级上
，此时，物质波之间通过相互作用而达到完全相
同的状态，其性质由一个原子的波函数即可描述
； 当温度为绝对零度时，热运动现象就消失了，
原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态。
 这个新的第五形态是1924年发现的。当时的
印度物理学家波色给爱因斯坦寄了一篇论文
，提出一种关于原子的新的理论。
 在传统理论中，人们假定一个体系中所有的
原子（或分子）都是可以辨别的，世界上每
一个事物都是独一无二的。但是波色却在原
子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子
（如两个氧原子）有什么不同。 这个东西
受到爱因斯坦的重视。
 他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在
正常温度下，原子可以处于任何一个能级（能级
是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），但
在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最
低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。
处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原
子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指
挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合
起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物
理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态
（BEC），它表示原来不同状态的原子突然“凝聚
”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。
 实现波爱凝聚态的条件很苛刻：一方面所需
温度极低，另一方面必须是气态原子体系
 最终在激光冷却技术发展的帮助下1995年观
察到了这第五态。{关于物质的五种基本状
态：气态，液态，固态，等离子态，玻爱凝
聚态，费米冷凝态}
 激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激
光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子
流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。
 玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向
传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成
一束宏观电流而无需电压。
 原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精
确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定
位等。
 玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性
正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小
组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将
光储存了 起来。
 玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，
例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，
可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发
的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚
体来模拟黑洞
低温下的超导
H·卡末林·昂内斯
某些物质在一定温度条件下电阻
降为零的性质。1911年荷兰物理
学家H·卡末林·昂内斯发现汞
在温度降至4.2K附近时突然进入
一种新状态，其电阻小到实际上
测不出来，他把汞的这一新状态
称为超导态。以后又发现许多其
他金属也具有超导电性。低于某
一温度出现超导电性的物质称为
超导体。
超导体的基本特征：
 零电阻效应
 隧道效应
 迈斯纳效应
零电阻效应：
 在较高的温度时是导体或半导体，甚至是绝缘体，可
是当温度降到某一特定值Tc时，它的直流电阻突然下
降为零，这一现象称为零电阻效应。
隧道效应
 作为超导载体的Cooper对能以一定几率贯穿能垒,称此
为隧道效应。例如,在两层超导物质间夹有厚度为纳米
量级的绝缘层,若通过连线导入电流,该电流则以电阻
为零的状态流动,称其为隧道效应。
迈斯纳效应：完全抗磁性
1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量
将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降
温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导
体就把全部磁通量排出体外。
注：S表示超导态
N表示正常态
N
N
迈斯纳效应：磁悬浮
在锡盘上放一条永久磁铁，当温度
低于锡的转变温度时，小磁铁会离
开锡盘飘然升起，升至一定距离后，
便悬空不动了。
这是由于磁铁的磁力线不能穿
过超导体，在锡盘感应出持续
电流的磁场，与磁铁之间产生
了排斥力，磁体越远离锡盘，
斥力越小，当斥力减弱到与磁
铁的重力相平衡时，就悬浮不
动了。
超导磁悬浮列车
超导磁悬浮列车(Maglev)
超导的应用：
超导体的特性 ,如零电阻性、 完全抗磁性、
隧道效应等以及在强磁场中能承受很大的超
导电流和它在发生超导态——正常态转变时
的物理性能的变化 ,已开始在能源、工业、
交通、医疗、航天、国防和科学实验等领域
中得到应用 ,并显示出突出的优点和广阔的
前景。下面将从以下几方面介绍：
电力传输
超导电缆
超导磁体
超导计算机
电力传输
 目前世界上的电能约有
1/4损耗在输电线路上，
1/4损耗在变压器上
 若使用无电阻的超导材
料做输电线路和变压器
，再采用一些绝热技术
，将实现“无损耗输电
”，等于增加了1倍的发
电量
超导电缆
 最近科学家已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。
 它的输电能力是铜的30-40倍。
超导磁体
研究人员已制造出超导磁体，它无电
阻、无热损耗，易产生强大磁场，且节
省电力：

5万高斯的强磁场只需几百瓦功率的
电源，过去，一个产生5万高斯强磁场的
磁体重量达20吨，而目前只有几公斤。

超导计算机
 高速计算机的散热是超
大规模集成电路面临的
难题
 而超导计算机中的超大
规模集成电路，其元件
间的互连线用接近零电
阻的超导器件来制作，
不存在散热问题，同时
计算机的运算速度大大
提高。