Nhiệt độ thấp thu được như thế nào

12

Không ai biết chính xác từ khi nào con người học cách tạo ra lửa và làm nóng cơ thể một cách nhân tạo đến nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh. Dù thế nào đi nữa, điều này đã xảy ra cách đây mười nghìn năm, trong thời đại được gọi là Thời kỳ đồ đá.

Nhưng dữ liệu về việc lấy lạnh nhân tạo được biết khá chính xác. Chúng ta hãy giả định một cách thông thường rằng nhiệt độ thấp là nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ xảy ra một cách tự nhiên khi thời tiết thay đổi. Faraday lần đầu tiên thu được nhiệt độ thấp như vậy (163°K, hay -110°C) vào năm 1840. Nhiệt độ này lạnh hơn nhiều so với cái lạnh buốt giá ở Nam Cực (nhiệt độ thấp nhất được ghi nhận ở Nam Cực là khoảng -90°C).

Tại sao con người đã có thể tạo ra nhiệt độ cao một cách nhân tạo từ thời xa xưa nhưng chỉ gần đây họ mới tạo ra được cái lạnh nhân tạo?

Một mặt, điều này là do con người cần nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thấp.

Mặt khác, lý do có thể dẫn đến “độ trễ” trong công nghệ thu được nhiệt độ thấp là do quá cản trở nên nhiệt độ cao (không cần) không dễ đạt được hơn nhiệt độ thấp. Trên thực tế, chỉ cần quẹt diêm là đủ để nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng. Và Faraday, để đạt được nhiệt độ chỉ bằng một nửa nhiệt độ phòng, đã phải tạo ra thứ gì đó không chỉ là một thiết bị.

Sự “bất bình đẳng” này của các phương pháp thu được nhiệt độ cao và thấp không phải là ngẫu nhiên. Nó phản ánh một trong những định luật cơ bản của tự nhiên, cái gọi là định luật thứ hai của nhiệt động lực học (hãy nhớ rằng định luật thứ nhất của nhiệt động lực học là định luật bảo toàn năng lượng).

Thoạt nhìn, có vẻ như việc làm mát cơ thể rất đơn giản: bạn cần đưa cơ thể này tiếp xúc với những vật thể khác có nhiệt độ thấp hơn. Khi đó cơ thể sẽ tự nhiên chuyển từ cơ thể được làm mát sang cơ thể lạnh, điều này sẽ dẫn đến việc làm mát cần thiết; Nếu có đá thì làm kem thật dễ dàng!

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu cơ thể cần được làm mát đến nhiệt độ thấp đến mức không có cơ thể lạnh nào phù hợp khác mà cơ thể có thể chuyển sang một cách tự nhiên? Khi đó, rõ ràng là một vật thể lạnh như vậy, hay như người ta nói, cần phải tạo ra một chất làm lạnh, một chất làm lạnh được sản xuất cũng cần cung cấp sự truyền nhiệt từ nó sang một vật thể khác, nhưng không phải là vật thể lạnh hơn, bởi vì không có vật thể đó mà là vật thể ấm hơn, chẳng hạn như môi trường (không khí, nước, v.v.).

Trước hết chúng ta cùng tìm hiểu xem khó khăn trong việc này là gì nhé.

13

Trật tự và hỗn loạn trong vật chất

Chúng ta hãy nhớ rằng nhiệt độ của một vật thể được xác định bởi năng lượng của chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các nguyên tử và phân tử của nó. Giảm nhiệt độ có nghĩa là giảm bớt sự rối loạn đang ngự trị giữa các phân tử.

Rối loạn là gì? Nếu mọi vật dụng trong căn hộ của bạn luôn ở một nơi nhất định được chỉ định và luôn dễ dàng tìm thấy, thì bạn đã duy trì được trật tự trong căn hộ của mình. Nếu mọi thứ được phân loại ở bất cứ đâu, thì chúng không thể được tìm thấy. Căn hộ của bạn là một mớ hỗn độn.

Căn hộ của bạn có diện tích càng lớn thì bạn càng mất nhiều thời gian để tìm thấy thứ này hoặc thứ kia; nếu mọi thứ phân tán đều thì căn hộ của bạn càng lộn xộn hơn. Hãy tưởng tượng rằng mọi thứ trong phòng có thể tự di chuyển, thay đổi vị trí. Khi đó việc tìm thấy chúng sẽ càng khó khăn hơn, càng khó thì tốc độ di chuyển của chúng càng cao.

Ví dụ hàng ngày này giúp chúng ta hiểu cách xác định trật tự và sự hỗn loạn trong thế giới phân tử. Mức độ rối loạn được xác định bằng xác suất tìm thấy các phân tử (hoặc hạt khác) ở một trạng thái nhất định, chẳng hạn như tại một điểm nhất định trong không gian.

Nếu có một số hạt nhất định phân bố đều trong một thể tích nhất định thì xác suất phát hiện một hạt tại một điểm nhất định sẽ lớn hơn, các hạt chuyển động càng chậm thì chúng thay đổi vị trí trong một thể tích nhất định càng chậm. Nhưng tốc độ của các phân tử được xác định bởi nhiệt độ cơ thể. Do đó, nhiệt độ của vật thể càng cao thì mức độ rối loạn giữa các phân tử trong đó càng lớn. Điều trên cũng cho thấy rõ rằng khối lượng do các hạt cung cấp càng lớn thì mức độ rối loạn phân tử càng lớn.

Vì vậy, mức độ rối loạn phụ thuộc vào hai yếu tố - nhiệt độ của cơ thể và thể tích của nó. Sự tăng nhiệt độ ở một thể tích nhất định, giống như sự tăng thể tích ở một nhiệt độ không đổi, dẫn đến sự gia tăng mức độ rối loạn giữa các phân tử.

Hóa ra là tất cả các quá trình xảy ra trong tự nhiên, trong một hệ thống khép kín tự nó (nghĩa là trong một hệ thống bao gồm các hạt tương tác với nhau, nhưng không tương tác với các vật thể khác), diễn ra theo cách khiến mức độ rối loạn tăng lên. Và khi mức độ rối loạn này đạt đến giá trị cao nhất, mọi quá trình đều tự dừng lại. Một trạng thái xảy ra gọi là trạng thái cân bằng.

Hãy tưởng tượng những quả bóng có hai màu được sắp xếp theo một thứ tự nhất định. Phải mất khá nhiều trang để sắp xếp các quả bóng theo đúng trình tự. Nhưng chỉ cần một cú đẩy nhẹ cũng đủ để trật tự được tạo ra một cách tỉ mỉ bị phá vỡ và các quả bóng được trộn lẫn một cách ngẫu nhiên. Và không thể khôi phục lại trật tự ban đầu bằng mọi cách. Xác suất của một sự kiện như vậy không có ý nghĩa gì.

Đây là một ví dụ từ thế giới nguyên tử-phân tử. Bằng cách ném một miếng đường vào nước, chúng ta có thể dễ dàng thu được dung dịch trong đó các phân tử đường phân bố khắp toàn bộ thể tích của bình. Nhưng dù chúng ta có thèm muốn đến đâu thì dung môi cũng sẽ không tự tách thành nước và đường. Để thu được đường và nước riêng biệt, bạn cần tiêu tốn một ít năng lượng bằng cách đun nóng dung dịch và làm bay hơi nước.

Ý nghĩa vật lý của định luật thứ hai nhiệt động lực học nằm ở chỗ phát biểu rằng trật tự và sự mất trật tự trong tự nhiên là “không đồng đều”, rằng tất cả các quá trình tự tạo ra sự thiết lập trạng thái cân bằng đều đi kèm với sự gia tăng mất trật tự. Đây là lý do tại sao nó cao như vậy

14

nhiệt độ dễ đạt được hơn nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ cơ thể tăng lên (trong khi vẫn duy trì thể tích), tình trạng rối loạn sẽ tăng lên. Làm mát cơ thể có nghĩa là tăng cường trật tự, tức là hành động, có thể nói là “đi ngược lại tự nhiên”.

Tuy nhiên, hóa ra vẫn có thể làm mát cơ thể. Do đó, có thể làm cho cơ thể không chuyển động từ cơ thể ấm sang cơ thể lạnh, mà, ví dụ, từ cơ thể nguội sang cơ thể ấm hơn. Đây là cách chất làm lạnh được tạo ra.

Rối loạn là một đại lượng vật lý

Những từ “trật tự” và “rối loạn” mà chúng tôi sử dụng ở đây thoạt nhìn có vẻ xa lạ, được lấy từ cuộc sống hàng ngày. Trên thực tế, đằng sau những từ này là khái niệm vật lý về hiện tại, điều quan trọng là nó được thể hiện bằng một đại lượng đặc biệt. Đại lượng này biểu thị mức độ mất trật tự hoặc trật tự (trật tự đơn giản là sự vắng mặt của sự mất trật tự), được gọi là entropy. Nó được ký hiệu bằng chữ $S$ và được định nghĩa như sau: nếu một lượng cơ thể $\Delta Q$ nhất định được cung cấp hoặc lấy ra khỏi cơ thể và nhiệt độ tuyệt đối của cơ thể bằng $T$, thì sự thay đổi entropy $\Delta S$ được xác định bởi đẳng thức

$$\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}.$$

Trong tất cả các quá trình xảy ra với vật thể, điều quan trọng không phải là entropy mà là sự thay đổi entropy. (Về mặt này, entropy tương tự như thế năng của một vật. Trong mọi bài toán, bản thân thế năng không phải là điều quan trọng mà là sự thay đổi của nó.)

Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến trường hợp quá trình xảy ra theo cách mà cơ thể không được cung cấp hoặc loại bỏ khỏi cơ thể: $\Delta Q = 0$. Những điều kiện như vậy có thể được đảm bảo bằng một cơ thể dẫn nhiệt tốt hoặc bằng cách thực hiện quá trình nhanh chóng khi cơ thể không có thời gian để di chuyển từ cơ thể này sang cơ thể khác. Những quá trình như vậy được gọi là adnabate. Từ biểu thức $\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}$ suy ra rằng trong quá trình adnabate, entropy không thay đổi.

Adnabate thay đổi về khối lượng

Trong kỹ thuật tạo ra cái lạnh nhân tạo, chúng ta chủ yếu quan tâm đến các quá trình thay đổi thể tích của vật thể, quá trình giãn nở và lăn của chúng. Họ đóng một vai trò đặc biệt quan trọng ở đây.

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một vật thể mà chúng ta giãn nở hoặc nén adnabatally, nghĩa là không cung cấp hoặc rút vật thể ra. Chúng ta đã biết rằng việc tăng thể tích của một vật thể với một số lượng hạt nhất định sẽ dẫn đến sự gia tăng mức độ mất trật tự, nghĩa là làm tăng entropy. Nhưng quy trình của chúng tôi là quy trình adnabate, trong đó $\Delta Q = 0$ và entropy không thay đổi. Làm thế nào để đảm bảo tính không đổi của entropy, với điều kiện là nó trả về khối lượng tăng lên đáng kể? Nếu định luật thứ hai của nhiệt động lực học là đúng, thì điều này chỉ có thể xảy ra nếu, khi thể tích của một vật thay đổi, một quá trình khác xảy ra, do đó entropy giảm đúng một lượng khi nó tăng do thể tích tăng. Chúng ta biết rằng entropy thay đổi khi nhiệt độ cơ thể thay đổi. Do đó, chúng ta có thể mong đợi rằng khi thể tích của vật thể tăng lên, nhiệt độ của nó sẽ giảm. Đây là những gì thực sự xảy ra.

Như vậy, chúng ta đã có ngay cách đo nhiệt độ cơ thể. Cần phải mở rộng phần thân này một cách adnabatally, tức là tăng thể tích của nó. Sự giãn nở Adnabate chính xác là một trong những cách chính để thu được cảm lạnh.

Một loại giãn nở là sự bay hơi của chất lỏng. Ngay cả người Ai Cập cổ đại cũng đựng đồ uống trong các bình xốp. Các lỗ rỗng làm tăng bề mặt của chất lỏng bay hơi và do đó làm tăng

15

tốc độ bay hơi của nó. Sự bay hơi dẫn đến làm mát chất lỏng. Độ dẫn nhiệt kém của vật liệu và tốc độ bay hơi cao đảm bảo rằng quá trình bay hơi là adnabate.

Vì vậy, câu hỏi về các phương pháp làm mát nhân tạo phụ thuộc vào câu hỏi mở rộng cái gì và mở rộng như thế nào.

Mở rộng những gì?

Rõ ràng là chất rắn không thích hợp để giãn nở - chúng không thể thay đổi thể tích theo bất kỳ cách nào đáng chú ý. Vì những lý do tương tự, chất lỏng cũng không phù hợp. Mặc dù việc tăng thể tích chất lỏng trong quá trình bay hơi của chúng được sử dụng để làm mát chúng, nhưng không thể đạt được nhiệt độ đặc biệt thấp theo cách này, bởi vì khi nó nguội đi, chất lỏng cuối cùng sẽ đông đặc lại. Vì vậy, nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được khi chất lỏng bay hơi là nhiệt độ mà nó đông đặc lại. Và đối với các chất ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, nhiệt độ hóa rắn không quá thấp.

Tốt nhất là sử dụng khí. Chất khí có khả năng giãn nở không giới hạn, nếu trước đây chúng cũng ở áp suất cao thì khối lượng của chúng khá lớn và do đó nhiệt dung của loại khí này cũng khá lớn. Khí cũng được đặc trưng bởi sự rối loạn lớn nhất trong chuyển động của các hạt. Và vì bài toán của chúng ta là giảm bớt tình trạng hỗn loạn, nên rõ ràng rằng cách tốt nhất là bắt đầu với một chất trong đó mức độ rối loạn ở mức cao, để có thứ gì đó cần giảm bớt!

Vì vậy, chất phù hợp nhất cho bài toán của chúng ta là khí đốt. Mặt khác, sản phẩm cuối cùng, tức là chất làm lạnh thành phẩm, tốt nhất ở dạng chất lỏng: chất lỏng luôn tạo ra sự tiếp xúc nhiệt tốt với cơ thể ngâm trong đó. Do đó, phần kỹ thuật (nhưng không riêng) về đặc tính hóa lỏng của một loại khí cụ thể.

Như bạn đã biết, bất kỳ loại khí nào cũng có thể chuyển thành chất lỏng. Nhưng đối với mỗi loại khí có một nhiệt độ nhất định, được gọi là tiêu chí $T_h$, trên nhiệt độ đó nó không thể chuyển sang trạng thái lỏng. Để khí được hóa lỏng, nhiệt độ của nó phải dưới $T_h$. Sau đó để đốt nó bạn chỉ cần đá nó. Và nó ở mức độ nào phụ thuộc vào nhiệt độ của nó dưới $T_h$ bao nhiêu: càng thấp thì áp suất cần thiết cho quá trình đốt cháy càng ít. Bạn có thể làm lạnh một chất khí đến mức nó trở thành chất lỏng ở áp suất 1 atm.

Để thu được độ lạnh vừa phải, người ta sử dụng các loại khí có giá trị $T_h$ cao. Thường được sử dụng, ví dụ như amoniac, có $T_h = 132,4^\circ\text{C}$. Gần đây, mọi người đều sử dụng cái gọi là freon - loại khí thu được từ hydrocarbon bằng cách trộn hydro với flo, clo hoặc brom. Đặc biệt, trong tủ lạnh gia đình, freon-12 ($\text{CF}_2\text{Cl}_2$), có $T_h = 112,04^\circ\text{C}$, được sử dụng.

Nhiệt độ thấp nhất để sản xuất khí, nhiệt độ tới hạn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ phòng. Chúng bao gồm: oxy, có $T_h = -118,4^\circ\text{C}$, nitơ có $T_h = -146,9^\circ\text{C}$, hydro có $T_h = -239,9^\circ\text{C}$, và cuối cùng là helium, có nhiệt độ tới hạn thấp nhất trong tự nhiên. Anh ấy có $T_h = -267,91^\circ\text{C}$.

Đốt cháy những khí này không dễ dàng như vậy. Để làm được điều này, họ cần phải rất ngầu.

Làm thế nào để mở rộng?

Gas có thể được mở rộng theo những cách khác nhau. Hai phương pháp bay hơi “phổ biến” hơn và được sử dụng nhiều nhất.

Với phương pháp đầu tiên. Mở rộng khí nén tốt nhất. Do đó, với bất kỳ phương pháp bay hơi nào, họ đều bắt đầu bằng việc đốt khí bằng một loại máy đặc biệt - máy nén - đến áp suất hàng chục, và đôi khi hàng trăm atm. Trong trường hợp này, khí nóng lên vì lý do tương tự

17

Điều tiết dẫn đến làm mát khí. Điều này được giải thích là do các phân tử khí tương tác với nhau. Khi, trong quá trình giãn nở của chất khí, các phân tử di chuyển ra xa nhau, tác dụng tùy ý chống lại các lực phân tử liên kết các phân tử và động năng của các phân tử, và do đó, nhiệt độ của chất khí, sẽ giảm. Chúng ta có thể nói rằng ở đây, công cũng được thực hiện, nhưng không chống lại các lực bên ngoài, như trong detand, mà chống lại các lực gắn kết bên trong giữa các phân tử.

Hiệu ứng làm mát của khí trong quá trình tiết lưu được gọi là hiệu ứng Joule-Thomson.

Đối với hiệu suất Joule-Thomson, điều quan trọng là chất khí không lý tưởng, tức là các phân tử của nó tương tác với nhau ở khoảng cách xa chứ không chỉ là va chạm trực tiếp “đối đầu”. Một loại khí lý tưởng sẽ không nguội khi tiết lưu. Nó có thể được làm mát, nhưng nó sử dụng chất khử.

Như đã chỉ ra, khả năng làm mát trong quá trình tiết lưu càng mạnh thì nhiệt độ càng thấp. Ở nhiệt độ phòng, nơi bạn bắt đầu, nó không tuyệt vời. Tuy nhiên, để đạt được khả năng làm mát đáng kể, hãy sử dụng kỹ thuật xây dựng, sự tồn tại của kỹ thuật này được thể hiện rõ trong Hình 2.

Đường ống dẫn khí tới van tiết lưu được đặt trong một đường ống khác rộng hơn. Khi khí nguội đi một chút sau khi tiết lưu, nó sẽ quay trở lại từ buồng làm lạnh đến máy nén thông qua một đường ống rộng, làm mát “trên đường đi” của khí đang tới. Vì vậy, phần ga tiếp theo sẽ phù hợp với ga lạnh hơn. Sau khi đi qua ga, khí sẽ nguội hơn nữa và khi quay trở lại qua ống ngoài, khí đang đi tới sẽ nguội hơn nữa. Sau một thời gian, khí sẽ đến gần van tiết lưu lạnh đến mức việc tiết lưu sẽ dẫn đến hóa lỏng và phần chất lỏng đầu tiên sẽ xuất hiện trong buồng X. Lúc này hơi lạnh của chất lỏng này sẽ thoát ra ngoài qua một đường ống rộng, tiếp tục làm mát khí đang tới.

Chất lỏng lạnh tích tụ trong buồng lạnh có thể được sử dụng ngay để làm mát các vật thể khác. Đôi khi vật thể “khác” này là dung dịch muối, sau đó đi đến các đường ống lắp đặt trong quầy hàng, dưới sân trượt băng nhân tạo, v.v. Nhưng bạn có thể làm khác: xả khí nén qua vòi B vào các bình đặc biệt được chuẩn bị để lưu trữ và vận chuyển chất lỏng lạnh (bình Dewar). Chất lỏng thu được có thể được sử dụng để làm mát các vật thể khác ở bất cứ đâu và bất cứ lúc nào. Các máy thông thường sử dụng khí hoặc chất lỏng làm mát làm chất làm lạnh trong buồng làm lạnh được gọi là tủ lạnh. Máy được thiết kế để phân phối sản phẩm dạng lỏng được gọi là máy làm mát.

Điều tiết là phương pháp làm mát được sử dụng phổ biến nhất. Đặc biệt, nó được sử dụng trong tủ lạnh gia đình.

Một bổ sung quan trọng cần được thực hiện ở đây. Thực tế là việc điều tiết có thể dẫn đến

18

không chỉ để làm mát mà còn để sưởi ấm khí. Và đối với mỗi loại khí có một nhiệt độ nhất định, cái gọi là nhiệt độ nghịch đảo Joule-Thomson hiệu dụng ($T_i$), trên đó xảy ra hiện tượng đốt nóng. Điều này có nghĩa là nếu muốn làm mát khí bằng cách giãn nở hơn nữa thì phải cẩn thận để đảm bảo rằng khí được làm lạnh trước dưới nhiệt độ nghịch đảo. Đối với hầu hết các loại khí, bao gồm nitơ và oxy, nhiệt độ nghịch đảo cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng nên không có khó khăn gì phát sinh. Nhưng đối với hydro và gel, nhiệt độ này thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ bình thường: đối với hydro $T_i$ là 204°K, đối với gel là 40°K. Do đó, khi nén các khí này, chúng cần được làm mát trước khi quá trình lắng lại có thể bắt đầu. Để làm điều này, bạn có thể sử dụng phương pháp detaner. Trong nhiều hệ thống lắp đặt để nén hydro và gel, cả hai phương pháp đều được sử dụng cùng một lúc: trong thiết bị khử, khí được làm mát dưới $T_i$; làm mát thêm, đến mức nén, đạt được bằng cách lắng thêm. Sự kết hợp của các phương pháp này được sử dụng để nén các loại khí khác.

Thậm chí gần hơn với độ không tuyệt đối

Các phương pháp làm mát được mô tả ở trên có thể chuyển đổi bất kỳ loại khí nào, kể cả gel, thành chất lỏng. Helicium sôi ở áp suất khí quyển ở nhiệt độ 4,2°K. Bằng cách bơm mạnh gel bay hơi bằng máy bơm, bạn có thể giảm áp suất hơi trên gel lỏng và do đó hạ nhiệt độ sôi xuống 0,7°K, và nếu bạn sử dụng đồng vị nhẹ hơn của gel, nhiệt độ của nó có thể tăng lên 0,3°K. Nhiệt độ thấp hơn không thể đạt được bằng cách này.

Làm thế nào để đạt được nhiệt độ một phần nghìn độ?

Hãy nhớ lại rằng hạ nhiệt độ có nghĩa là giảm bớt phần rối loạn phụ thuộc vào nhiệt độ. Để làm điều này, chúng tôi sử dụng một loại khí có độ rối loạn cao. Nhưng ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, mức độ rối loạn đã nhỏ đến mức rất khó giảm bớt. Ở nhiệt độ như vậy, tất cả các chất (trừ gel) đều ở dạng rắn, do đó người ta không thể tin vào sự thay đổi thể tích của adabate. Điều này có nghĩa là chúng ta cần tìm ra những chất mà ngay cả ở những nhiệt độ này vẫn tồn tại sự mất trật tự; nó không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích. Và các nhà vật lý cũng tìm thấy các chất. Đây là một số chất tham số phức tạp.

Chất thuận từ là chất chứa các hạt (nguyên tử, ion, phân tử) hoạt động giống như nam châm nhỏ. Do chuyển động nhiệt nên nam châm được định hướng một cách hoàn toàn ngẫu nhiên. Đúng vậy, ở nhiệt độ thấp, khi chuyển động nhiệt rất yếu, lực tương tác giữa các nam châm có thể buộc chúng tự định vị chính xác. Nhưng nếu các nam châm được đặt ở những khoảng cách đáng kể với nhau thì sẽ không có lực tương tác và sự rối loạn từ tính vẫn tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất. Đó là trường hợp của các muối tham số có thành phần rất phức tạp, trong đó, ngoài các hạt từ tính, còn có nhiều hạt không từ tính khác, chẳng hạn như trong muối 2Ce ($NO_3$)₃·3Mg ($NO_3$)₂·24H₂O (xeri-nitrat từ tính). Trong chất này, chỉ có cerium Ce nonones mới có “từ tính”. Nhưng đối với mỗi cái không có thực thể thì có khoảng 60 nguyên tử không có từ tính khác. “Từ tính” bị “pha loãng” mạnh với các hạt không từ tính đến mức sự rối loạn định hướng Ce vẫn tồn tại ngay cả ở nhiệt độ dưới 1°K. Đây là chất mà chúng ta cần: sự hỗn loạn trong đó rất lớn và cao ở mức không tuyệt đối!

Sự rối loạn trong một chất tham số có thể thay đổi không chỉ khi nhiệt độ của nó thay đổi mà còn khi trạng thái từ tính của nó thay đổi. Và trạng thái từ tính của vật chất có thể được điều khiển giống hệt như

19

Cơm. 3.

và khối lượng của chất đó. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng từ trường. Nếu một tham số muối được đặt trong một từ trường không đổi thì tất cả các nam châm sẽ xếp thẳng hàng song song với đường hợp lưu của từ trường. Chúng tôi sẽ mang lại trật tự cho sự định hướng của các ion. Bằng cách loại bỏ trường này, chúng ta sẽ lại tạo ra sự hỗn loạn. Điều này hoàn toàn tương tự với sự lăn và giãn nở của chất khí.

Để đạt được nhiệt độ thấp hãy tiến hành theo cách sau. Một muối thuận từ trong một ống $A$ chứa đầy gel khí và được đặt trong một bình chứa gel lỏng, nhiệt độ của nó khoảng $1^\circ\text{K}$, được đặt trong một từ trường giữa các dải điện từ (Hình 3, $a$). Khí helium trong ống tạo ra sự tiếp xúc nhiệt với gel lỏng, do đó nhiệt độ của các ống từ hóa phù hợp với nhiệt độ của helium lỏng xung quanh. Khí helium sau đó được bơm ra khỏi ống, từ đó cung cấp muối dẫn nhiệt từ môi trường (Hình 3, $\delta$). Sau đó, từ trường bị tắt, nghĩa là xảy ra sự hình thành khí đoạn nhiệt (Hình 3, $\theta$). Trong trường hợp này, sự định hướng sai của nam châm xảy ra -

những đổi mới, điều này sẽ dẫn đến sự gia tăng entropy. Và vì quá trình khử từ là adnabate nên toàn bộ entropy không thể thay đổi và muối nguội đi.

Trong gần bốn mươi năm nay, phương pháp được mô tả đã được sử dụng để thu được cái gọi là nhiệt độ cực thấp, nghĩa là nhiệt độ dưới nhiệt độ có thể thu được chỉ bằng helium lỏng. Nhiệt độ thấp nhất thu được theo cách này là một phần nghìn độ.

Không chỉ nguyên tử mà lõi nguyên tử cũng có từ tính, mặc dù yếu hơn 1000 lần. Tuy nhiên, nếu bạn bắt đầu không phải từ $1^\circ\text{K}$ mà từ $0,01^\circ\text{K}$, bạn có thể, bằng cách khử đoạn nhiệt không phải nguyên tử mà là hạt nhân, thu được nhiệt độ khoảng một phần triệu độ. Nhưng đây là một chủ đề cho một bài viết riêng biệt.

Bài tập

1. Tại sao việc mở rộng một phần và trong quá trình có thể được coi là quá trình phụ trợ?
2. Có thể sử dụng chất sắt từ thay vì chất tham số trong phương pháp làm mát bằng từ tính không?
3. Entropy được đo bằng đơn vị nào? Đại lượng vật lý nào khác được đo bằng các đơn vị như vậy?