什么是低温学及其使用方法

低温学被定义为对材料及其在极低温度 下的行为的科学研究。这个词来自希腊语cryo，意思是“冷”，和genic，意思是“生产”。该术语通常在物理学、材料科学和医学的背景下出现。研究低温学的科学家被称为低温学家。低温材料可称为致冷剂。尽管可以使用任何温度标度来报告低温，但开尔文和朗肯标度最为常见，因为它们是具有正数的 绝对标度。

一种物质到底有多冷才能被认为是“低温”是科学界争论不休的问题。美国国家标准与技术研究院 (NIST) 认为低温学包括低于 −180 °C（93.15 K；−292.00 °F）的温度，高于该温度普通制冷剂（例如硫化氢、氟利昂）是气体，在其下方“永久性气体”（例如，空气、氮气、氧气、氖气、氢气、氦气）是液体。还有一个研究领域称为“高温低温学”，涉及常压下液氮沸点以上的温度（-195.79 °C（77.36 K；-320.42 °F），最高-50 °C（223.15 K; −58.00 °F)。

测量制冷剂的温度需要特殊的传感器。电阻温度检测器 (RTD) 用于测量低至 30 K 的温度。低于 30 K，通常使用硅二极管。低温粒子探测器是在绝对零度以上几度工作的传感器，用于探测光子和基本粒子。

低温液体通常储存在称为杜瓦瓶的装置中。这些是双壁容器，壁之间有真空以进行绝缘。用于极冷液体（例如液氦）的杜瓦瓶有一个额外的绝缘容器，里面装满了液氮。杜瓦瓶是以其发明者詹姆斯杜瓦命名的。烧瓶允许气体从容器中逸出，以防止压力因沸腾而升高而导致爆炸。

低温流体
以下流体最常用于低温学：

体液        沸点 (K)
氦 3        3.19
氦 4        4.214
氢        20.27
氖        27.09
氮        77.36
空气        78.8
氟        85.24
氩气        87.24
氧        90.18
甲烷        111.7

低温学的用途
低温学有多种应用。它用于生产火箭的低温燃料，包括液态氢和液态氧 (LOX)。核磁共振 (NMR) 所需的强电磁场通常由带有制冷剂的过冷电磁铁产生。磁共振成像 (MRI) 是使用液氦的核磁共振的一种应用。红外热像仪经常需要低温冷却。食品低温冷冻用于运输或储存大量食品。液氮用于产生特殊效果的雾甚至特色鸡尾酒和食物。

使用致冷剂冷冻材料会使它们变脆，从而破碎成小块以便回收利用。低温用于储存组织和血液样本以及保存实验样本。超导体的低温冷却可用于增加大城市的电力传输。低温加工被用作某些合金处理的一部分，并促进低温化学反应（例如，制造他汀类药物）。低温研磨用于研磨可能太软或太有弹性而无法在常温下研磨的材料。分子的冷却（低至数百纳开尔文）可用于形成奇异的物质状态。冷原子实验室 (CAL) 是一种设计用于在微重力条件下形成玻色爱因斯坦凝聚态（大约 1 皮开尔文温度）并测试量子力学定律和其他物理原理的仪器。

低温学科
低温学是一个广泛的领域，涵盖多个学科，包括：

人体冷冻法- 人体冷冻法是对动物和人类进行冷冻保存，目的是在未来使它们复活。

冷冻手术- 这是手术的一个分支，其中低温用于杀死不需要的或恶性组织，例如癌细胞或痣。

低温电子 - 这是对超导性、可变范围跳跃和其他低温电子现象的研究。低温电子学的实际应用称为低温电子学。

低温生物学- 这是研究低温对生物体的影响，包括使用低温保存来保存生物体、组织和遗传物质。

低温有趣的事实
虽然低温学通常涉及低于液氮冰点但高于绝对零的温度，但研究人员已经实现了低于绝对零的温度（所谓的负开尔文温度）。2013 年，慕尼黑大学（德国）的乌尔里希·施耐德 (Ulrich Schneider) 将气体冷却到绝对零度以下，据报道这使它变得更热而不是更冷！