극저온

1 개요

 1) 정의

   - 광의로 90K 이하, 협의로 4.2K 이하의 온도 범위

     * 액체산소의 끓는점 90K 기준

     * 액체헬륨의 끓는점 4.2K 기준

 2) 특징

   - 열운동의 방해없이 양자효과를 거시적으로 관찰할 수 있다.

      * 원자의 열운동의 거의 없어지고 열운동에 의해 가려진 양자효과가 거시적 물성현상으로 관측된다.

    - 초유동, 초전도현상등 상온에서 볼수없는 현상이 발생한다.

     * 초유동(superfluid) : 점성과 표면장력이 전혀없고 흐를때 소용돌이가 존재하지 않는 액체 상태

 

2 극저온의 구현

  1) 원리

   - 기체를 냉각하여 액화하는데 단열팽창을 일반적으로 이용한다. 하지만 절대0도에 가까워지면 능률이 악화된다.

   - 일반적으로 극저온은 줄-톰슨효과에 의해서 헬륨을 액화하여 저온을 만든다.

   - 4.2K 이하의 조건은 단열소자법이 유효하다.

 2) 방법 : 줄-톰슨효과(Joule-Thomson Effect)

  - 압축한 기체를 단열된 좁은 구멍(노즐)으로 분출시키면 온도가 변하는 현상을 이용함(스로틀링과정 throttling process)

     * 냉동 시스템: 냉동 시스템에서 액체 냉매가 노즐을 통과하며 팽창하여 기체가 되면서 온도가 낮아지는 원리를 이용한다.

     * 수소는 온도가 올라가지만 다른기체는 냉각됨.

     * 물체의 열은 분자들의 충돌에 의해 발생하는데, 압축되어 분자들간 높은 충돌을 유도했다가 급히 팽창시키면 온도가 내려간다.

   - 헬륨등 기체의 냉각이나 액화 에어컨 냉매의 냉각에 사용되고 있다.

   - 줄-톰슨 계수 : 줄-톰슨 효과를 정량적으로 나타내는 지표로 줄-톰슨 계수(µ)가 사용된다. 줄-톰슨 계수는 다음과 같은 식으로 계산된다.
     * µ = (∂T/∂P)_H
          µ : 줄-톰슨 계수
          T : 온도
          P : 압력
          H : 엔탈피
    * 줄-톰슨 계수가 양수이면 온도가 감소하고, 음수이면 온도가 상승한다.