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）

奇妙的低温世界 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 黑龙江省漠河气象站 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？ 它在1969年2月13日，测得气温为-52.3℃。 黑龙江省漠河气象站

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 鲜艳的花朵会像玻璃一样亮闪闪，轻轻地一敲，发出“叮当”响。 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 原因： 皮肤长时间接触高于体温的低热物体 温馨提示： 1、用电热毯，温度不要设得过高，也不要整夜使用，更不要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 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。 H·卡末林·昂内斯

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 降温 加场 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。

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