Криогенные жидкости представляют собой вещества, находящиеся в жидком состоянии при крайне низких температурах, обычно ниже −150 °C (123 K). Наиболее распространённые криогенные жидкости включают жидкий азот (LN₂), жидкий гелий (LHe), жидкий кислород (LOX) и жидкий водород (LH₂). Они обладают рядом уникальных свойств, которые делают их ключевыми в исследованиях низких температур, медицинских и промышленных технологиях.
Температурные характеристики и плотность. Температуры кипения криогенных жидкостей крайне низки. Например, азот кипит при 77 K, кислород при 90 K, водород при 20 K, а гелий при 4,2 K. Плотность жидких газов обычно выше плотности их газообразных форм при нормальных условиях, но значительно ниже плотности большинства обычных жидкостей. Например, плотность жидкого гелия составляет около 0,125 г/см³, а жидкого азота — около 0,808 г/см³.
Теплоёмкость и теплопроводность. Криогенные жидкости обладают низкой теплоёмкостью, что требует минимизации тепловых потерь при их хранении и транспортировке. Теплопроводность жидкого гелия особенно высока при температуре ниже λ-точки (2,17 K), что связано с его переходом в сверхтекучее состояние.
Сжимаемость и вязкость. Вязкость большинства криогенных жидкостей крайне мала, что облегчает их циркуляцию и использование в теплообменниках. Например, жидкий гелий имеет вязкость около 3×10⁻⁶ Па·с. Высокая сжимаемость жидких газов при низких температурах требует осторожного расчета давления в резервуарах.
Кипение криогенных жидкостей. Кипение криогенных жидкостей сопровождается интенсивным испарением и поглощением большого количества тепла. Например, при испарении 1 л жидкого азота поглощается около 200 кДж тепла. Контролируемое кипение и фазовые переходы широко используются в криогенных системах для охлаждения сверхпроводников, лазеров и других приборов.
Сверхтекучесть гелия. Жидкий гелий при температуре ниже 2,17 K переходит в сверхтекучее состояние (гелевая фаза II), обладающее уникальными свойствами: нулевой вязкостью и способностью «ползти» по стенкам сосудов против силы тяжести. Сверхтекучесть сопровождается возникновением квантовых вихрей и эффективной теплоизоляцией.
Капиллярные и поверхностные эффекты. Из-за низкой температуры и малой вязкости криогенные жидкости сильно подвержены капиллярным явлениям. Поверхностное натяжение играет важную роль в процессах заполнения тонких трубок и микрокапилляров жидким гелием и азотом.
Диэлектрические характеристики. Большинство криогенных жидкостей являются отличными диэлектриками. Жидкий азот и гелий используются для изоляции высоковольтного оборудования при низких температурах. Электропроводность этих жидкостей крайне низкая, что обеспечивает надежность их применения в криогенной электронике.
Магнитные свойства. Жидкий кислород проявляет парамагнитные свойства из-за наличия неспаренных электронов в молекуле O₂. Это позволяет использовать его для магнитного разделения или для экспериментов с сильными магнитными полями. Другие криогенные жидкости, такие как жидкий азот и гелий, диамагнитны и практически не взаимодействуют с магнитным полем.
Криогенные сосуды и теплоизоляция. Для хранения криогенных жидкостей применяются термосы Дьюара и многослойные вакуумные емкости. Вакуумная изоляция минимизирует тепловые потери, а отражающие покрытия снижают инфракрасное излучение.
Проблемы испарения и давления. Испарение криогенных жидкостей приводит к накоплению давления в замкнутых системах. Для безопасной эксплуатации резервуаров используются предохранительные клапаны, трубки сброса и системы активного охлаждения. Контроль давления особенно критичен при работе с жидким водородом из-за его высокой летучести и воспламеняемости.
Транспортировка. Криогенные жидкости транспортируют в специализированных автоцистернах и контейнерах с термоизоляцией. В промышленности используются системы рекуперации паров для снижения потерь и увеличения безопасности при работе с токсичными или горючими жидкими газами.
Коррозия и совместимость материалов. Жидкие кислород и водород способны вызывать сильное окисление и поражение некоторых металлов и полимеров при контакте. Выбор материалов для сосудов и трубопроводов должен учитывать низкую температуру и химическую активность криогенной жидкости.
Растворимость и адсорбция газов. Криогенные жидкости обладают способностью растворять небольшие количества других газов. Например, жидкий гелий может адсорбировать крошечные следы водорода, азота или аргона, что важно при криогенной очистке и подготовке сверхчистых сред.
Криогенные жидкости являются неотъемлемой частью современной науки и техники. Их уникальные физические свойства позволяют достигать температур, недоступных при обычных условиях, открывая новые возможности для фундаментальных и прикладных исследований.