氦稀释制冷机
(文末附答案)人教版2022年初中化学物质构成的奥秘常考点
(每日一练)(文末附答案)人教版2022年初中化学物质构成的奥秘常考点单选题1、下列物质直接由原子构成的是A．金刚石B．C60C．氯化钠D．二氧化碳2、某微粒M的结构示意图如下，关于该微粒的说法正确的是A．M的原子易失电子B．x只能为7C．M为金属元素D．x为8时，M为阴离子3、下列推理中正确的是A．离子是带电的粒子，所以带电的粒子一定是离子B．稀有气体原子的最外层电子数都为8，所以最外层电子数为8的粒子一定是稀有气体的原子C．原子失去电子后形成阳离子，则原子得到电子后一定形成阴离子D．原子在化学变化中不能再分，则分子在化学变化中也不能再分4、对下列物质构成的说法中，不正确的是A．铜是由铜原子构成的金属单质B ．氧气是由氧分子构成的气体单质C ．水是由水分子构成的化合物D ．氯化钠是由氯化钠分子构成的化合物5、2020年6月23日我国的北斗导航“收官之星”在西昌发射成功，北斗导航卫星系统采用铷原子钟提供精确时问，铷元素在元素周期表中的相关信息与铷原子的原子结构示意图如图所示。
下列说法不正确的是A ．铷单质具有导电性B ．m 的值是37，n 的值是1C ．铷的相对原子质量为85.47D ．氯化铷的化学式为RbCl 26、根据如图有关信息判断，下列说法错误的是A ．镁的相对原子质量为B ．在化学反应中，镁原子容易失去2个电子C ．镁离子核内有12个质子D ．镁离子与镁原子化学性质相同7、2020年1月14日，C919大型客机第二架机迎来了进入2020年后的第一次飞行。
C919部分机身采用了新()24.31()2Mg +型的铝锂合金。
铝锂合金中铝（Al）元素与锂（Li）元素的本质区别是（）A．相对原子质量不同B．原子的中子数不同C．原子的电子数不同D．原子的质子数不同8、下列各组元素中，元素符号的第一个字母不相同的一组是A．锰、钛B．氩、金C．铅、铂D．氦、汞多选题9、北斗导航卫星系统采用铷原子钟提供精确时间，铷元素在元素周期表中的相关信息与铷原子的结构示意图如下图。
量子计算用极低温稀释制冷机
量子计算用极低温稀释制冷机量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，它利用量子比特的叠加和纠缠特性，可以在某些情况下比传统计算机更高效地解决一些问题。
然而，要实现量子计算，需要稳定的量子比特和精确的操作，这对于硬件设备提出了极高的要求。
由于量子计算的特殊性，其硬件设备必须在极低的温度下工作，以减少量子比特与环境的相互作用，从而保持其稳定性。
为了达到这一目的，科学家们发展了一种称为极低温稀释制冷机的设备。
极低温稀释制冷机是一种可以将物质冷却到极低温度的设备。
它的工作原理基于稀释制冷的概念，即利用稀释剂的蒸发来吸收材料的热量，从而使其温度下降。
这种制冷机通常由两个部分组成：冷头和冷源。
冷头是实现制冷效果的关键部件，它通常由一种称为超流体的物质构成，如液氦。
超流体的特点是在极低温下具有零粘度，可以无阻力地流动。
冷头中的超流体会通过蒸发冷却附近的材料，从而将其温度降低到极低的水平。
冷源则是为冷头提供低温环境的部分。
常用的冷源是一种称为制冷剂的物质，如液氮。
制冷剂可以通过蒸发将其温度降低到很低，然后通过冷头将这种低温传递给需要冷却的物质。
极低温稀释制冷机的工作过程可以简单描述如下：首先，制冷剂在冷源中蒸发，吸收周围材料的热量，使其温度下降。
然后，制冷剂将这种低温传递给冷头，使冷头中的超流体蒸发并吸收材料的热量。
最终，冷头将材料的温度降低到极低的水平。
利用极低温稀释制冷机，科学家们可以将量子计算中所需的硬件设备冷却到极低的温度。
这样一来，量子比特的稳定性可以得到保证，从而使得量子计算的实现更加可行。
此外，极低温稀释制冷机还可以用于其他需要极低温环境的领域，如超导电子学、低温物理学等。
总结起来，极低温稀释制冷机是一种可以将物质冷却到极低温度的设备，它通过稀释剂的蒸发来吸收材料的热量，从而实现冷却效果。
在量子计算中，极低温稀释制冷机可以为硬件设备提供稳定的低温环境，保证量子比特的稳定性，从而实现高效的量子计算。
低温技术基础 习题1-3答案
《低温技术基础》习题1.低温（深冷）与制冷(普冷)的温度分界线为：120k2．氮气的标准沸点 77.36k ；液化天然气的主要成分甲烷的标准沸点 111.7k ； 氢气的标准沸点 20.39k ；通常情况下氦气（4He ）的标准沸点为 4.224k ；氧气的标准沸点 90.188k 。
(以上数值精确到0.1K ）3.温度下降，材料的屈服强度升高；材料的硬度升高；材料的延展性下降 ；润滑油粘度增加；纯金属的导热系数上升；气体的导热系数 下降 ；金属导体的电阻 下降。
4. 1908年，Leiden university 的Onnes 实现了氦的液化，从此不再有永久气体。
5.比较以下4种热力学过程的参数变化？ 表16. “答：正确，在一个大气压下氧气的液化温度为90K ，且氧的三相点低于77K 。
所以液态的氧气能达到77K 的温度7．“液化温度越低的气体其理论最小液化功越大”是否正确？为什么？ 答：不正确，例如氦的液化温度比氢要低，但其最小理论功还是氢大。
8．氦气难以液化是因为其理论最小液化功大吗？为什么？ 答：不是，是因为氦气的转化温度和液化温度都非常的低9．画出气体液化理论循环的流程图和T-s 图，并写出气体液化所需理论最小功 的计算公式。
答： w min =)()(111f f h h S S T ---10．写出空气中含量前三位的气体成分并标注其体积百分比。
答：78.12%氮，20.95%氧，0.93％氩（干燥空气）11．什么是等温节流效应？在T-s 图上表示出等温节流效应。
答：()r p h h h h h h T T c q ∆-=-=-=-=1020210即它在数值上等于压缩前后气体的焓差，这一焓差常用-△hT 表示，称为等温节流效应。
12．气体等温压缩后再等熵膨胀后所获得的制冷量表达式？（请在T-s 图上标出过程），并解释其制冷量与膨胀功和等温节流效应的关系？答：()()e T s w h h h h h h h q +∆-=-+-=-=2110200即制冷量为等温节流效应与膨胀功w e 之和。
空调用制冷技术-第一章_蒸气压缩式制冷的热力学原理
理论循环的假设
（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为 蒸发压力下的饱和蒸气， 蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨 胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体 （4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失， 制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失， 忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外， 忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外， 制冷剂与管外介质之间没有热交换 （5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小， 制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小， 可以忽略不计， 可以忽略不计，且与外界环境没有热交换
空调领域的制冷技术原理
制冷技术：
普通制冷：高于－ 普通制冷：高于－120℃ ℃ 深度制冷：－120℃～20K 低温和超低温：20K以下
食品冷藏和空调用制冷技术属于普冷范围 液体气化制冷法
蒸气压缩式制冷 吸收式制冷
制冷技术的应用
空气调节 食品的冷藏链 机械、电子工业 医疗卫生事业 土木工程 体育事业 日常生活
N．L．Sadi．Carnot 1796-1832
萨迪.卡诺
1812年进巴黎查理曼大帝公立中学学习，不久以优异成绩考入巴黎工 艺学院，从师于S.-D.泊松、J.L.盖－吕萨克、A.－M.安培和D.F.J.阿喇 戈等人。1814年进工兵学校。1816年任少尉军官。1819年在巴黎任职 于总参谋部，次年请长假回家，编入预备役，继续从事他所酷爱的自 然科学的学习和研究。大概从1820年开始，他潜心于蒸汽机的研究。 1820 1824年，卡诺发表了名著《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》 1824 (Reflexions sur la puissance motrice du feu etsar les machines propres a developper cette puissance)，但当时并没有引起人们的注意，直到 他逝世后才引起人们的重视。1827年，卡诺又被总参谋部召回服役， 并将他以上尉身份派往现役部队任军事工程师。在里昂等地经过短期 工作后，1828年卡诺永远辞去了在军队中的职务，回到巴黎继续研究 蒸汽机的理论。1830年卡诺因父亲的关系被推选为贵族院议员，但他 断然拒绝了这个职务，因为他是一个共和主义者，认为职位的世袭不 符合共和主义的思想。1832年因染霍乱病于 8月24日逝世，年仅36岁。 由于害怕传染,他的随身物件,包括他的著作、手稿，均被焚毁。
第1章 制冷基本知识
3、低温制冷（低温）：－200℃ （73K）至－268.95℃（4.2K）。 4.2K是液氦的沸点。
4、极低温制冷（极低温）：低于 4.2K。
1.1.2 无温差传热的逆卡诺循环
根据热力学第二定律，热量不会自发地从 低温环境传向高温环境。要实现这种逆向传热 过程，必须要伴随一个补偿过程使整个孤立系 统的熵增等于或大于零。蒸气压缩式制冷就是 以消耗机械能作为补偿条件，借助制冷工质的 状态变化将热量从温度较低的环境（通常是空 调房间、冷库等）不断地传给温度较高的环境 (通常是自然界的水或空气）中去。逆卡诺循 环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组 成，循环沿逆时针方向进行，该循环过程的示 意图和T-s图如图1-4所示。
目前全国生产制冷设备的厂家有近 100家，生产空调设备的厂家有近200家。 自1989年来工业产值平均年增长20%左 右。
目前我国制冷空调行业产值约占全球 总量的12%以上，成为继美国、日本之后 的第三大制冷空调生产国。
我国电冰箱、家用空调器产量已居世 界第一位，分别占到世界总产量的30%和 16%。
q0 q0 T0 c w0 qk q0 Tk T0 （1-1）
此外，逆卡诺循环也可用来获得供热效 果，例如冬季将大气环境作为低温热源，将 供热房间作为高温热源进行供热。这样工作 的装置称为热泵，也就是向泵那样把低位热 源的热能转移至高位热源。热泵的经济性用 供热系数 c表示，其值为单位耗功量所获取 的热量
到1874年林德（Linde）设计成功氨 制冷机，被公认为制冷机的始祖，这些都 对制冷技术的发展起了重大作用； 1913年美国工程师拉森（Lnvsen） 制造出世界上第一台手操纵家用电冰箱； 1918年美国开尔文纳特（Kelvinator ）公司首次在市场上推出自动电冰箱；
低温物理实验技术
对 流 热 交 换 器
压机
节流阀
阀门 杜瓦容器
图 4-0-1
林德机
种液化气的沸点温度 表 4-0-1 气体种类 O2 N2 H2 Ne 27.102
4
He
3
He
沸点温度 K 90.188 77.344 20.27
4.222
3.197
2. 利用制冷机循环来获得低温 利用液氮、液氦来使物体降温，要使用较为复杂的恒温器，同时又要消耗较多的液氮 和液氦。我国的氦资源较少，教学实验或一般测试，由于代价过高，难于广泛使用。故采 用封闭循环的小型制冷机来获取低温。 实验用的小型制冷机有 G-M 制冷机、 ST 制冷机、 SV 制冷机、VM 制冷机等。基本工作原理都是将高压氦气经绝热放气过程而实现降温，仅结构 和循环过程有所不同。它们的工作温度范围一般为 300K～10K，或再稍低一些。4.2K 以下 的低温可以利用减压降温使液氦进一步降温，或用稀释制冷机和绝热去磁法等。目前获得 的最低温度是mK 级，而能进行实验测试的低温是 2mK。
B C H1 H2 R
S
T
于低温液体的所需要的实验温度。 加热器 H 2 的作用 图 4-0-3 高真空绝热恒温器 是用它控制辐射屏的温度与样品温度一致，以减小 对样品的辐射漏热。高真空绝热恒温器的优点是： • 漏热小，因此可以精确地计量对样品升温所提供的热量；‚ 样品内温度均匀；ƒ 周围 环境变化对样品无影响，恒温时温度稳定；„ 样品升温时，低温液体消耗很少。 (3) 漏热式恒温器(见实验 4-1-2) 2. 低温温度测量 温度测量是低温物理实验中首要和基本的测量。各种温度测量方法有不同的原理、测 量范围、测量精度。应根据具体测试要求来选择。下面介绍几种常用的测温方法。 (1) 蒸汽压温度计 蒸汽压温度计是利用液态气体的饱和蒸汽压与温度的对应关系而制成的。将感温泡放 在待测点处，用压力传送管接到压力计上读出蒸汽压，查表即得温度。此温度计测量的温 区较窄，但是感温泡体积小，且不需进行修正，故仍经常使用。 (2) 热电偶温度计 热电偶温度计的基本原理是物理中的塞贝克效应。两根不同金属的细线如图 4-0-4 那 样连接起来，若两接点的温度 T1 ¹ T2 ，在回路中就会产生温差电势。温差电势的大小取决于
(完整版)He3制冷机原理
He3制冷机He3闭循环制冷机是一种非常独特的低温设备，可以为制冷式敏感红外和毫米波bolometer提供300mK的低温。
该系统首先在2K温度液化几升He3 （STP），然后通过吸附泵减压使温度降至300mK，并维持在该温度点。
He3制冷机是一个多级冷却装置，外层为77K液氮冷却的防热辐射屏，液化单元和吸附泵通过泵抽液氦（He4）降至2K以下。
一旦He3液化后，手动打开热开关将液氦He3与液氦He4蒸气隔绝；然后闭合另一个热开启动吸附泵。
温度一直维持直至He3全部消耗掉。
根据设计的需要，可以实现24-48小时为周期的循环工作。
一旦液化完成，该系统返回4.2K。
该系统无电子设备或机械泵，仅有的机械装置就是热开关，所以该系统非常便携皮实，非常适合实验室、飞行器或气球上面使用。
工作原理：He3制冷机是通过液化He3气体并进一步减压制冷，来得到约250mK的低温。
He3制冷机的工作原理如图所示。
在制冷机顶端是一个真空门阀，其主要作用是保证方便可靠的插入和拔出样品杆，而不会泄漏损失昂贵的He3气体或者导致空气进入样品空间。
通过真空门阀样品杆可以从顶部插入，从而固定在样品杆末端的样品可以到达制冷机底部的样品池。
在样品池的上部是1K池，通过引入液氦到1K池并用机械泵连续抽取，可以让1K池温度保持在大约1.2 开尔文，这样当He3气体碰到1K池表面时就会变成液体，最终流到制冷机底部的样品池。
在有He3液体的时候，其蒸汽压同温度是一一对应的：蒸汽压越低，其温度就越低。
在1K池的上面不远是一个内置的吸附泵，通过调节其温度可以调节其对He3气体的吸收能力，从而调节He3液体的蒸汽压。
当吸附泵温度在10开尔文以下时，其对He3有最大的吸附能力，可以将He3液体的蒸汽压降到非常接近零，这时He3液体的温度最低可达250 毫开尔文。
由此可知He3制冷机的制冷降温过程如下：在初次制冷时，让吸附泵保持足够高温（约大于40开尔文）使其基本不吸附He3气体，保持1K池温度在1.2K 左右；打开气阀让储存在外置储取瓶中的He3气体流入样品空间，其碰到1K池表面就会变成液体，流到底部的样品池，这样样品就直接侵泡在He3液体里；当大部分He3气体都已液化以后，慢慢降低吸附泵的温度，让其开始抽取剩余的He3气体，降低He3的气压，从而降低He3液体温度，直至最低（<300mK）。
回热式低温制冷机技术
发动机
COP =
Qc T ≤ c = COP 制冷机 Carnot W Th − Tc
η Carnot
COP Carnot
是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在T-S图上 由两个等温过程和两个等熵过程组成的，具有最高 的热力学完善度。但实际循环不可能是完全可逆 的，而且实际工质的性质也不适合采用卡诺循环
Cv ∝ (T / θ D )
几种间壁式制冷机 (Recuperative cryocooler)
采用间壁式换热器 工质运动是定常的 工质压缩和膨胀工 作过程是在不同的 通道内进行的 两侧通道内的压力 和流速不等，换热 系数不同，效率较 低
第四部分
脉管制冷机
特点和工作原理 研究背景和意义 研究现状和问题
回热式低温制冷机
巨永林
Columbia University，Nevis Laboratories Department of Physics, New York 上海交通大学，制冷与低温工程研究所 机械与动力工程学院，上海
主要内容
低温研究背景和意义 回热式制冷循环 回热式低温制冷机 脉管制冷机 热声驱动制冷机 应用，问题和发展趋势 结束语
Stirling Gifford-McMahon Pulse tube
机构示意图
W W W
Qh, Th Qh, Th Qh, Th Qht, Tht
Qc, Tc
Qc, Tc
Qc, Tc
回热式制冷机结构特点
压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化 回热器(蓄冷器)：在回热过程中存储和释放热量(冷量) 热端和冷端换热器：实现与不同温度下外热源的热量交换
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稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素
3He和4He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖3He和4
He特殊的热力学特征。
氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有5×10-6体积分数
左右。在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12Pa•s左右，具有极好的超流动
性, 流动几乎没有阻力。同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能形成
温度梯度。氦由二种稳定同位素3He和4He组成。正常的氦气里仅含1.3×10-6的3He，因此，除
非特别说明，一般均指4He。4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降
到0.003K时才显示出来。在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀
释制冷机中。
Heinz London, German (1907-1970)
低温下3He和4He的液氦混合物相图显示，3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液
体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。稀释冷却只可能发生在低于三相点温度
的地方。
低温下3He/4He液相混合物相图
在低于三相点（0.87K）的温度下，3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。一个相主要
含有3He，因此被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。一个相主要含有3He，因
此被称为4He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。不论什么温度下，总是至少含有6％
的3He。
油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。如果维持油水混合物在一个较高
的温度，油和水将保持均匀混合。但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后
发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相
混合物。
连续氦稀释制冷原理
含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物
如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He 稀缺相（4He的浓
缩相）。如果3He原子可不断跨越这个界限，则可有效地冷却3He和4He混合物。由于3He稀缺
相即使在绝对零度也不能的6％，因此，可以在极低的温度下进行有效的稀释制冷。这个过程发
生的地方被称为混合室。
最简单的应用是间歇式稀释制冷机，首先收集大量的3He浓缩相混合物液体，然后将逐渐把3He
移到3He的稀缺相进行稀释制冷，一旦所有的3He处于3He稀缺相，制冷过程就停止了。
通常采用连续运行的稀释制冷机。3He浓缩相混合物在冷凝器中首先液化，然后流到在混合室
中，3He从3He浓缩相迁移到3He稀缺相中，产生制冷量，然后3He稀缺相混合物液体在蒸发器
（Still）中蒸发，成为3He浓缩相气体混合物，被压缩机加压后返回到冷凝器，开始再次循环。
氦稀释制冷机具有连续制冷、操作方便、稳定可靠、不用磁场就可获得mK级低温的特点，为低
温物理学研究提供了便利。现已制成能获得约0.005K低温的间歇式稀释制冷机，在连续制冷系
统中可达到0.01K。
稀释制冷机
1-混合器 （10mk） 2-热交换器 3-蒸馏器（0.6-0.7K）4-液池冷凝器（1K） 5-液氦预
冷 6-液氮预冷 7-机械真空泵 8-液氮冷却的冷阱 9-扩散泵 10-限流器 11-真空阀
1951年H.London提出可以用超流4He稀释3He的方法制冷的理论。到1965年
P.Das等人根据这一理论制成了3He-4He稀释制冷机，目前已达到2mK的低温。它可
以长时间地维持毫K范围的温度，有较大的冷却能力，已成为获得毫K温度的最重要
的手段和设备。
3He，4He的混合液在0.86K以上时，液3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是
当混合溶液的温度降到0.86K以下时，混合液则分离成两相，其中含3He多的相称为
浓缩相，而含3He少的相称为稀释相。在低于0.86K的任一温度都对应于一定的3He
含量的稀释相和浓缩相，并达到相平衡。当从稀释相中取走3He原子时，为了保持两
相的平衡，则由浓缩相中的3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的3He原子。可
以计算得3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸
热，利用这个吸热现象制成了稀释制冷机。 从稀释制冷机的结构图来看，包含相
界面的室称做混合室，3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷，使温
度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室，温度维持在0.6～0.7K。此时3He
的饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压，可以用抽气机抽走，这时浓缩相中的3He原
子就不断地通过相界面进入稀释相，抽走的3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循
环，使制冷机不断地运行。
稀释制冷机工作流程
1.混合器的上部的浓He3相和下部的稀He3相（6.4%）之间存在He3浓度梯度，于
是上部的He3原子不断向下部扩散。此过程中，上部浓相由于熵减小必然吸热，产生
制冷效应。
2.同时，下部稀He3相与蒸馏器（1.5%）内也存在He3的浓度梯度，于是He3原子
可以源源不断的穿过超流体He4向蒸馏器扩散。
3.在蒸发器内，由于He3的蒸汽压比He4高的多，在加热器的作用下，大部分的He3
原子穿过小孔经进预冷向真空泵扩散。
4.真空泵部分，首先用机械泵将系统压力降至1.0pa,然后开动扩散泵，使系统保持高
真空。
5.大部分的He3和小部分的He4蒸汽在真空泵作用下，先后经液氮预冷、液池冷凝
器、蒸馏器和热交换器进入混合器，补充到浓He3相，实现连续制冷过程。
采用量子流体力学角度的二流体模型：
液HeⅡ的行为正常流体如两种自由混杂的流体混合物（正常流体和超流体），在忽
略粘滞效应和线性近似的条件下，得到动力学方程如下:
ρ=ρn+ρs n正常流体；s超流体
记 j为单位体积液氮的动量，则
将此速度欧拉方程速度二次项忽略，可简化为：
不考虑粘滞性，两个流体的运动时可逆的，熵 守恒，即：