Comprensione del concetto di criogenia

La criogenia è definita come lo studio scientifico dei materiali e del loro comportamento a temperature estremamente basse. La parola deriva dal greco crio, che significa "freddo", e genica, che significa "produrre". Il termine si trova di solito nel contesto della fisica, della scienza dei materiali e della medicina. Uno scienziato che studia la criogenia si chiama a cryogenicist. Un materiale criogenico può essere definito a cryogen. Sebbene le temperature fredde possano essere riportate utilizzando qualsiasi scala di temperatura, le scale Kelvin e Rankine sono più comuni perché sono scale assolute con numeri positivi.

Il modo esatto in cui una sostanza deve essere considerata "criogenica" è una questione di dibattito della comunità scientifica. Il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti ritiene che la criogenia includa temperature inferiori a -180 ° C (93,15 K; -292,00 ° F), che è una temperatura al di sopra della quale i refrigeranti comuni (ad esempio, acido solfidrico, freon) sono gas e al di sotto del quale "gas permanenti" (ad es. aria, azoto, ossigeno, neon, idrogeno, elio) sono liquidi. Esiste anche un campo di studio chiamato "criogenia ad alta temperatura", che prevede temperature al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido a pressione ordinaria (-195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F), fino a -50 ° C (223,15 K; −58,00 ° F).

La misurazione della temperatura dei criogeni richiede sensori speciali. I rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) vengono utilizzati per eseguire misurazioni della temperatura fino a 30 K. Sotto i 30 K, vengono spesso utilizzati diodi al silicio. I rilevatori di particelle criogeniche sono sensori che operano a pochi gradi sopra lo zero assoluto e vengono utilizzati per rilevare fotoni e particelle elementari.

I liquidi criogenici sono generalmente immagazzinati in dispositivi chiamati boccette Dewar. Questi sono contenitori a doppia parete che hanno un vuoto tra le pareti per l'isolamento. Le beute Dewar destinate all'uso con liquidi estremamente freddi (ad es. Elio liquido) hanno un contenitore isolante aggiuntivo riempito con azoto liquido. Le boccette di Dewar prendono il nome dal loro inventore, James Dewar. Le boccette consentono al gas di fuoriuscire dal contenitore per evitare l'ebollizione della pressione che potrebbe provocare un'esplosione.

Fluidi criogenici

I seguenti fluidi sono spesso usati in criogenia:

Fluido	Punto di ebollizione (K)
Elio-3	3.19
Elio-4	4.214
Idrogeno	20.27
Neon	27.09
Azoto	77.36
Aria	78,8
Fluoro	85.24
argo	87.24
Ossigeno	90.18
Metano	111.7

Usi di criogenia

Esistono diverse applicazioni della criogenia. È usato per produrre carburanti criogenici per i razzi, inclusi idrogeno liquido e ossigeno liquido (LOX). I forti campi elettromagnetici necessari per la risonanza magnetica nucleare (NMR) sono generalmente prodotti da elettromagneti di raffreddamento con criogeni. La risonanza magnetica (MRI) è un'applicazione di NMR che utilizza elio liquido. Le telecamere a infrarossi richiedono spesso un raffreddamento criogenico. Il congelamento criogenico degli alimenti viene utilizzato per trasportare o conservare grandi quantità di alimenti. L'azoto liquido viene utilizzato per produrre nebbia per effetti speciali e persino cocktail e cibi speciali. Il congelamento di materiali con criogeni può renderli abbastanza fragili da poter essere scomposti in piccoli pezzi per il riciclaggio. Le temperature criogeniche vengono utilizzate per conservare campioni di tessuto e sangue e per conservare campioni sperimentali. Il raffreddamento criogenico dei superconduttori può essere utilizzato per aumentare la trasmissione di energia elettrica nelle grandi città. Il trattamento criogenico viene utilizzato come parte di alcuni trattamenti con leghe e per facilitare le reazioni chimiche a bassa temperatura (ad es. Per produrre statine). La criomilling viene utilizzata per fresare materiali che potrebbero essere troppo morbidi o elastici per essere fresati a temperature normali. Il raffreddamento di molecole (fino a centinaia di nano Kelvin) può essere usato per formare stati esotici della materia. Il Cold Atom Laboratory (CAL) è uno strumento progettato per l'uso in microgravità per formare condensati di Bose Einstein (circa 1 pico di temperatura Kelvin) e testare le leggi della meccanica quantistica e altri principi di fisica.

Discipline criogeniche

La criogenia è un ampio campo che comprende diverse discipline, tra cui:

crionica - La crionica è la crioconservazione di animali e umani con l'obiettivo di rianimarli in futuro.

La criochirurgia - Questo è un ramo della chirurgia in cui vengono utilizzate temperature criogeniche per uccidere tessuti indesiderati o maligni, come cellule tumorali o talpe.

Cryoelectronics - Questo è lo studio della superconduttività, del salto a intervallo variabile e di altri fenomeni elettronici a bassa temperatura. Viene chiamata l'applicazione pratica della crioelettronica cryotronics.

criobiologia - Questo è lo studio degli effetti delle basse temperature sugli organismi, inclusa la conservazione degli organismi, dei tessuti e del materiale genetico crioconservazione.

Cryogenics Fun Fact

Mentre la criogenica di solito comporta una temperatura inferiore al punto di congelamento dell'azoto liquido ma superiore a quella dello zero assoluto, i ricercatori hanno raggiunto temperature inferiori allo zero assoluto (le cosiddette temperature Kelvin negative). Nel 2013 Ulrich Schneider dell'Università di Monaco (Germania) ha raffreddato il gas sotto lo zero assoluto, che secondo quanto riferito lo ha reso più caldo anziché più freddo!

fonti

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Temperatura assoluta negativa per gradi di libertà in movimento". Scienza 339, 52-55.
• Gantz, Carroll (2015). Refrigerazione: una storia. Jefferson, Carolina del Nord: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
•  Nash, J. M. (1991) "Dispositivi di espansione a vortice per criogenia ad alta temperatura". Proc. della 26a Conferenza sull'ingegneria delle conversioni energetiche intersocietarie, Vol. 4, pagg. 521-525.