低溫流體及材料

低溫流體及材料第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日項目符號單位甲烷CH4

氧O2

氬Ar空氣氮N2

分子量M16.0432.0039.94428.96628.018沸點Tb

K111.790.18887.2978.9/81.777.36熔點(近似)TmK90.754.483.85—63.2臨界溫度Tcr

K191.06154.78150.72132.55126.26臨界壓力Pcr

MPa4.645.1074.8643.7693.398三相點溫度Ttr

K90.6654.36183.81—63.15三相點壓力Ptr

kPa11.6680.15268.92—12.536飽和液體密度ρL

kg/m3

424.511421400≈873808飽和蒸氣密度ρV

kg/m31.84.85.74.484.61密度(標準狀態(tài))ρ0

kg/m30.71671.42891.7851.29281.2506氣化熱(1atm)rVkJ/kg509.54212.76163.02205.5199熔化熱(近似)rm

kJ/kg58.613.9529.55—25.8常用低溫工質(zhì)的基本性質(zhì)第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日項目符號單位氖Ne(n)–正常氫(e)–平衡氫氦4He氦3He氪Kr氙Xe分子量M20.1832.0164.0033.01683.80131.3沸點Tb

K27.10820.39(n)20.28(e)4.2243.191119.8165.05熔點(近似)TmK24.613.96——115.95161.35臨界溫度Tcr

K44.4533.24(n)32.90(e)5.20143.324209.4289.75臨界壓力Pcr

MPa2.7211.297(n)1.287(e)0.22750.1165.515.88三相點溫度Ttr

K24.5613.95(n)13.81(e)——115.76161.37三相點壓力Ptr

kPa73.317.2006(n)7.0406(e)——73.681.6飽和液體密度ρL

kg/m3

1204≈70.81256024133057飽和蒸氣密度ρV

kg/m3≈4.81.34≈15.5≈228.95—密度(標狀)ρ0

kg/m30.90040.08990.17850.1343.7455.85氣化熱(1atm)rVkJ/kg85.744720.88.5107.596.2熔化熱(近似)rm

kJ/kg16.6258.75.7—19.5517.62第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日低溫流體的熱物理性質(zhì)

狀態(tài)性質(zhì)傳輸性質(zhì)相圖三相點臨界點假臨界線第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日5主要組分氧、氮、氬、CO2，及微量稀有氣體(氖、氦、氪、氙)、甲烷及其它碳氫化合物、氫、臭氧等。此外，還含有量少而不定的水蒸汽及灰塵等空氣及其組成氣體的性質(zhì)若不考慮水蒸汽、CO2和各種碳氫化合物，則地面至100km高度的平均組分保持恒定，在25km高空臭氧的含量有所增加空氣組成的局部分布是不一致的

第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日地球表面干燥空氣的組成組分體積（％）質(zhì)量（％）氮N278.084

75.52氧O220.95

23.15氬Ar0.93

1.282二氧化碳CO20.03

0.046氖Ne18×10-4

12.5×10-4

氦He5.24×10-4

0.72×10-4乙炔及其它烴類2.03×10-41.28×10-4甲烷CH41.5×10-40.8×10-4氪Kr1.14×10-43.3×10-4氫H20.5×10-40.035×10-4一氧化氮N2O0.5×10-40.8×10-4氙Xe0.08×10-40.36×10-4臭氧O3

0.04×10-40.05×10-4氡Rn6×10-187×10-17總計99.999999.9999第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日氮(Nitrogen)氮的原子序數(shù)是7，有兩種穩(wěn)定的同位素,中子數(shù)分別為14和15（相對含量10000:38）氮氣(N2)是空氣的主要組份（78.08%的體積比或75.45%的重量比），可從空氣分離得到。液氮：純凈無色的液體。在標準大氣壓下,液氮在77.36K時沸騰,在63.2K時凝結(jié)成固體。密度比水略小，汽化潛熱遠小于水(2257kJ/kg)。用途：合成氨化工、保護氣、吹掃氣、食品氣調(diào)與冷藏、低溫生物與醫(yī)療、重要低溫冷源

第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日氧(Oxygen)氧的原子序數(shù)是8，有三種穩(wěn)定的同位素，中子數(shù)16、17和18（相對含量10000:4:20）。氧氣(O2)是空氣中第二多的氣體(占體積含量的20.95%,重量含量的23.2%)，從空氣分離得到。液氧呈藍色。在標準大氣壓下,液氧在90.18K時沸騰,在54.4K時凝固。密度比水略大，氣化潛熱與液氮相當(dāng)。液氧具有輕微的磁性。用途：冶金（煉鋼、煉鐵）、氧化劑（合成氣生產(chǎn)等）、助燃劑（包括航天）、生命維持、焊接切割。氧的化學(xué)性質(zhì)活躍，注意儲運和使用第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日氫的三種同位素：原子量為1的氕（符號H，通稱氫）；原子量為2的氘（D，亦稱重氫）；原子量為3的氚（T）氕和氘是穩(wěn)定的同位素；氚是一種放射性同位素，半衰期12.26年。氚放出β射線后轉(zhuǎn)變成3He。氚是極稀有的。在1018個氫原子中只含有0.4～67個氚原子，自然氫中幾乎全部是氕（H）和氘(D)。氫（Hydrogen)不論是哪種方法獲得的氫，其中氕的含量高達99.987％，氘含量的范圍在0.013～0.016％之間。因為氫是雙原子氣體，絕大多數(shù)的氘原子都是和氕原子結(jié)合在一起形成氘化氫（HD），分子狀態(tài)的氘D2在自然氫中幾乎不存在。因此普通氫實際上是H2和HD原子的混合物，HD在混合物里的數(shù)量在0.026～0.032％之間。第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日氫氣無色、無味無嗅，極難溶解于水，是最輕的氣體，標準狀態(tài)下密度為0.0899kg/m3，只有空氣密度的1／14。在所有的氣體中比熱最大、導(dǎo)熱率最高、粘度最低。氫分子具有最高的擴散能力，甚至能透過一些金屬。氫的熱物理性質(zhì)氫的轉(zhuǎn)化溫度比室溫低的多，約為204k。因此，必須把氫預(yù)冷到該溫度以下再節(jié)流膨脹才能產(chǎn)生冷效應(yīng)。易燃易爆，氫氣在氧或空氣中燃燒時產(chǎn)生幾乎無色的火焰（不含雜質(zhì)），著火能很低。常態(tài)下氫與空氣混合物中體積濃度為4～75％時燃燒，濃度為18～65％時極易引起爆炸。因此進行液氫操作時需對液氫純度進行嚴格控制。氫在低溫技術(shù)中常用作工質(zhì)，液化后可作為低溫冷卻劑，還是理想的清潔能源，在火箭技術(shù)中被用作為推進劑。利用氫為原料還可以生產(chǎn)重氫，以滿足核動力的需要。第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日11氬、氖、氪、氙等惰性氣體的共性氣體無色無味，無毒不燃燒、也不助燃，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定液體無色透明固體密度比液體大，在液體中下沉主要從空氣中分離或合成氨尾氣中提取，氪、氙還可從原子反應(yīng)堆核裂變氣中回收稀有氣體—氖、氦、氬、氪、氙第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日氬（Ar）在空氣中的容積百分率為0.93％，是空氣第三大組分。標準沸點為87.29k。氬的沸點和熔點之間的溫差不大，只有3.44K；導(dǎo)熱率低，液態(tài)和氣態(tài)的比熱都比較小，而密度卻比較大。此外，氬的氣化潛熱同液體比熱的比值幾乎是氮的1.5倍，因此用真空泵較易對氬抽空。可用作保護氣體或用于燈泡工業(yè)；液氬和固氬可用作冷卻劑。氖（Ne）標準沸點27.108k，密度高，是一種很有希望的低溫工質(zhì)，特別適用于透平機械。三相點溫度(24.56K)只比標準沸點低2.5K，在液氖上部抽氣時很容易變?yōu)楣虘B(tài)。故液氖作為低溫冷卻劑一般用于40～25K溫區(qū)。目前仍只能從空氣分離中提取氖。氪（Kr）分子量大，標準狀態(tài)密度下是氮的三倍；導(dǎo)熱率很低；標準沸點119.8K，比氧高約30K；液氪密度2413kg／m3，115.95k變成固態(tài)氙（Xe）是空氣中含量最少的稀有氣體，容積百分數(shù)只有0.08ppm，五種稀有氣體中，氙的分子量最大，沸點最高，密度最大，導(dǎo)熱率最小。標準沸點為165.05K，液氙密度高達3057kg/m3,比水要大兩倍。固態(tài)氙的熔點為161.35k。稀有氣體—氬、氖、氪、氙第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日氦（Helium)氦是由原子量為4.003的4He和3.016的3He兩種穩(wěn)定同位素氦在空氣中的含量僅5.24ppm，氦生產(chǎn)主要從天然氣中提取。氦中3He的含量約占1／107～1／106。通常指的是4He氦氣無色、無味，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。臨界溫度很低，是自然界中最難液化的氣體；4He的標準沸點是4.224k，3He是3.191k。高比熱、高導(dǎo)熱率及低密度方面僅次于氫，是一種極好的低溫制冷劑零點能大，在壓力低于25atm，溫度接近0K時仍保持液態(tài)液氦4He是一種容易流動的無色液體，表面張力極小，折射率(1.02)和氣體差不多，因此氦液面不易看見液氦的氣化潛熱比其它液化氣體小得多，1atm下4He為20.8kJ／kg，3He為8.5kJ／kg，極易氣化，需絕熱良好的容器來貯存第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日4He的性質(zhì)三個區(qū)：氣體區(qū)、液體區(qū)、固態(tài)區(qū)；沒有固、液、氣三相點第二類相變：液氦有兩種不同的狀態(tài)，HeⅠ（常流體）和HeⅡ（超流體）。兩者之間的分界線為λ線。HeⅠ和HeⅡ之間的轉(zhuǎn)變是一種高階相變，轉(zhuǎn)變時沒有潛熱的放出或吸收，容積和熵值也沒有變化—第二類相變(λ相變)λ線與蒸汽壓曲線相交的點稱為λ點。該點溫度是HeⅡ的最高溫度，2.172K即要達到HeⅡ相，溫度至少要降到2.172K。第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日比熱容比熱容隨溫度的變化呈λ形，在λ點趨于無窮大，稍許偏離后即迅速減小,比熱容隨溫度和密度變化第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日動力粘度飽和態(tài)HeI，除在λ點附近外，動力粘度基本保持在飽和壓力以上，當(dāng)密度小時，動力粘度隨溫度減小而減??；當(dāng)密度大時，隨溫度減小而增大；接近λ線時顯著減小HeII粘度極小，用毛細管流法已難以測定第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日在飽和壓力以上，HeI導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小，隨溫度升高而增大在λ相變溫度以下，HeII具有超強導(dǎo)熱性，比銀的導(dǎo)熱性還好，其導(dǎo)熱規(guī)律已不能用傅立葉定律說明，蒸發(fā)只在液體表面進行導(dǎo)熱系數(shù)第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日材料的低溫性能機械性能熱性能電磁性能第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日極限強度和屈服強度溫度降低時，材料中原子的振動減弱。由于原子的熱擾動的減弱，就需要更大的力才能將位錯從合金中分開。因此，材料的極限強度和屈服強度將增大。（1）2024—T4鋁；（2）鈹青銅；（3）K蒙乃爾合金；（4）鈦；（5）304不銹鋼；（6）C1020碳鋼；（7）9鎳鋼；(8）特氟隆（Teflon)；（9）Invar-36合金第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日疲勞強度疲勞現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于裂紋的產(chǎn)生和擴大。溫度降低時，需要更大的應(yīng)力才能使裂紋擴大，因此，材料的和疲勞強度將增大。

第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日沖擊強度

一些材料會發(fā)生塑性脆性的轉(zhuǎn)變，如碳鋼在液氮溫度附近沖擊強度急劇下降?？箾_擊性的表現(xiàn)好壞大部分取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)。面心立方晶格在低溫下抗沖擊性較好，體心立方晶格較差。少數(shù)材料，如一些玻璃鋼材料，在低溫下沖擊強度會提高第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日硬度和延展性

脆性和塑性材料的分界是5%的伸長率或0.05cm/cm的應(yīng)變。對低溫下無塑脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的材料，延展性隨溫度下降而上升。有低溫塑脆性轉(zhuǎn)變的材料，延展性在低溫下會急劇下降，不應(yīng)用于低溫。與極限強度一樣，溫度降低，金屬材料硬度增大。第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日彈性模量

三種彈性模量：楊氏模量E，剪切模量G，體模量B。三者以泊松比相聯(lián)系。彈性模量是原子和分子間作用力的體現(xiàn)，因此當(dāng)溫度下降時，彈性模量增大。各向同性材料的泊松比在低溫范圍內(nèi)隨溫度變化很小。第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日熱性能:熱導(dǎo)率材料熱傳導(dǎo)的三種機理：1)電子運動：金屬導(dǎo)體。2)晶格振動：固體。3)分子運動：有機物固體和各種氣體。液體主要是分子振動能量傳遞，氣體主要是平動（單原子）以及平動與轉(zhuǎn)動（雙原子）能量傳遞。由氣體分子運動論，材料熱導(dǎo)率的理論表達式第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日固體熱導(dǎo)率固體熱導(dǎo)率液氮溫度以上，純金屬熱導(dǎo)率基本為定值；液氮溫度以下，熱導(dǎo)率與T-2成正比；達到一極值后，熱導(dǎo)率隨溫度下降而下降。無序合金和不純金屬熱導(dǎo)率隨溫度下降而下降，合金中無最大值現(xiàn)象。第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日固體的比熱容德拜(Debye)模型假設(shè)固體為連續(xù)介質(zhì)，定義德拜溫度和德拜函數(shù)高溫時(T>3

θD)

，比熱容接近定值3R。溫度很低時(T<θD/12)，固體的晶格比熱容與絕對溫度三次方成正比，非金屬比熱容即是如此（德拜三次方定律）。

第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日電子比熱容對金屬，自由電子對比熱容也起作用。電子比熱容與絕對溫度成正比。由于電子比熱容常數(shù)很小，故常溫下電子比熱容很小。但在極低溫度下，電子比熱容變得重要。第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日熱膨脹系數(shù)對各向同性材料，溫度升高時，原子平均間距的增長速率隨溫度的上升而增大，因此膨脹系數(shù)隨溫度升高而增大。固體的熱膨脹系數(shù)與德拜比熱隨溫度變化的情況相同。低溫()時，與絕對溫度三次方成正比。第二十八頁，共