Criogenia, producción y aplicación de fenómenos de baja temperatura.
El rango de temperatura criogénica se ha definido como −150 ° C (−238 ° F) a cero absoluto (−273 ° C o −460 ° F), la temperatura a la cual el movimiento molecular se acerca lo más posible teóricamente a cesar por completo. Las temperaturas criogénicas generalmente se describen en la escala absoluta o Kelvin, en la que el cero absoluto se escribe como 0 K, sin un signo de grado. La conversión de la escala Celsius a Kelvin se puede hacer agregando 273 a la escala Celsius.
Las temperaturas criogénicas son considerablemente más bajas que las encontradas en los procesos físicos ordinarios. En estas condiciones extremas, las propiedades de los materiales como la resistencia, la conductividad térmica, la ductilidad y la resistencia eléctrica se alteran de manera tanto teórica como comercial. Debido a que el calor es creado por el movimiento aleatorio de las moléculas, los materiales a temperaturas criogénicas están lo más cerca posible de un estado estático y altamente ordenado.
La criogenia comenzó en 1877, el año en que el oxígeno se enfrió por primera vez hasta el punto en que se convirtió en líquido (−183 ° C, 90 K). Desde entonces, el desarrollo teórico de la criogenia se ha relacionado con el crecimiento de la capacidad de los sistemas de refrigeración. En 1895, cuando era posible alcanzar temperaturas tan bajas como 40 K, el aire se licuó y se separó en sus componentes principales; en 1908 el helio se licuó (4.2 K). Tres años después, se descubrió la propensión de muchos metales sobreenfriados a perder toda resistencia a la electricidad, el fenómeno conocido como superconductividad. En las décadas de 1920 y 1930 se alcanzaron temperaturas cercanas al cero absoluto, y en 1960 los laboratorios podían producir temperaturas de 0.000001 K, una millonésima de grado Kelvin por encima del cero absoluto.
Las temperaturas inferiores a 3 K se utilizan principalmente para el trabajo de laboratorio, particularmente la investigación de las propiedades del helio. El helio se licua a 4.2 K, convirtiéndose en lo que se conoce como helio I. A 2.19 K, sin embargo, se convierte abruptamente en helio II, un líquido con una viscosidad tan baja que literalmente puede arrastrarse por el costado de un vidrio y fluir a través de agujeros microscópicos demasiado pequeños. para permitir el paso de líquidos ordinarios, incluido el helio I. (El helio I y el helio II son, por supuesto, químicamente idénticos). Esta propiedad se conoce como superfluidez.
La aplicación comercial más importante de las técnicas de licuefacción de gases criogénicos es el almacenamiento y transporte de gas natural licuado (GNL), una mezcla compuesta en gran parte de metano, etano y otros gases combustibles. El gas natural se licua a 110 K, lo que hace que se contraiga a 1/600 de su volumen a temperatura ambiente y lo hace lo suficientemente compacto para el transporte rápido en camiones cisterna especialmente aislados.
Las temperaturas muy bajas también se utilizan para conservar los alimentos de manera simple y económica. El producto se coloca en un tanque sellado y se rocía con nitrógeno líquido. El nitrógeno se vaporiza inmediatamente, absorbiendo el contenido de calor del producto.
En la criocirugía, se puede utilizar un bisturí o sonda de baja temperatura para congelar el tejido no saludable. Las células muertas resultantes se eliminan mediante procesos corporales normales. La ventaja de este método es que congelar el tejido en lugar de cortarlo produce menos sangrado. Un bisturí enfriado por nitrógeno líquido se usa en criocirugía; Ha demostrado tener éxito en la eliminación de amígdalas, hemorroides, verrugas, cataratas y algunos tumores. Además, miles de pacientes han sido tratados por la enfermedad de Parkinson congelando las pequeñas áreas del cerebro que se cree que son responsables del problema.
La aplicación de la criogenia también se ha extendido a los vehículos espaciales. En 1981, el transbordador espacial estadounidense Columbia se lanzó con la ayuda de propulsores de hidrógeno líquido / oxígeno líquido.
De las propiedades especiales de los materiales enfriados a temperaturas extremas, la superconductividad es la más importante. Su principal aplicación ha sido la construcción de electroimanes superconductores para aceleradores de partículas. Estas grandes instalaciones de investigación requieren campos magnéticos tan potentes que los electroimanes convencionales podrían fundirse por las corrientes requeridas para generar los campos. El helio líquido enfría hasta aproximadamente 4 K el cable a través del cual fluyen las corrientes, permitiendo que fluyan corrientes mucho más fuertes sin generar calor por resistencia.
