西安交通大学2018年《高等低温技术学》期末作业

2018年《高等低温技术学》期末作业1、试从稀薄气体特性及传热、受力角度说明克鲁克斯辐射计的工作原理并定性说明辐射计转速与真空度的关系。答：克鲁克斯辐射计主体是一个高度真空的玻璃泡，里面悬挂着四个叶片，每个叶片一面为黑色，另一面为白色。黑色一面吸收率更大，比白色吸收更多的辐射热，因此黑色附近温度更高，叶片两侧形成一个温度差，由稀薄气体热分子压力效应可知，这一温差将导致两侧形成压力差，黑色侧压力更高，分子将从黑色侧沿叶片边缘流向白色侧，从而带动叶片旋转。为保持这一温差，叶片两面往往会涂有隔热层。辐射计能正常工作，必须使玻璃泡内为高度真空的稀薄气体。如果玻璃泡内不是真空，叶片会由于空气阻力过大而无法转动；如果玻璃泡内完全真空，就没有分子运动来撞击叶片，也无法转动。2、将氮气视为理想气体，计算0.1MPa,250~350K的运动粘度，并和NISTRefProp数据做对比，从输运系数微观机理出发分析可能导致差异的因素。氮气分子直径(kineticdiameter)可视为365pm。答：由气体动理论知内摩擦系数€=1pl答：由气体动理论知内摩擦系数€=1pl”？,故运动粘度，十1心由麦克斯韦速度分布律有c=,分子平均自由程/=松,2„d2P因此代入k=1.38X10…23,P二O.IMPa,T二250~350K,d二365x10-12m求得:B运动粘度/=-^4RT二0.84x10-5~1.40x10-5m23„d2P\兀M由NIST数据查得：氮气运动粘度€=1.15x10-5〜2.09x10-5m2；s由于分子动理论是将氮气分子看作理想的小球，分子速率采用统计方法，运动粘度的结果与实验值存在差别，需加修正。3、从TdS方程出发，推导并比较气体节流、液体节流的温度效应。答：气体节流可看成是绝热的，前后焓值不变。由Tds方程有dh，Tds+vdp,将第一二Tds方程代入得dh，cdT-T(■^)dp+vdp，对于p„Tp等焓过程得节流温度效应为a，(兰)，丄［T(竺)-v］。液体节流也h„phc„Tpp是如此。4、低温液氢杜瓦，内胆为直径5m的球型结构，液氢充注率90%，采用多层蒸气冷却屏技术实现液氢日均蒸发1%，计算确定需要的蒸气冷却屏层数。答：为简化计算，取内罐设计压力0.6MPa，设计温度20K，外部为室温300K。此时液氢密度p,70kg-m-3，汽化潜热r，460.5kJ-kg-1故液氢质量m=Vxpx90%，-兀rpx90%，4123.34kg，由日蒸发量为耳，1%可得：漏热量q=mxr为耳，1%可得：漏热量q=24x3600设需要n层蒸气冷却屏，第i层冷却屏的温度为T(i=1,2,)，i取内壁温度为T=20K，外壁温度为T=300K。内壁向第一层冷却屏0n+1传热为q，第一层冷却屏向第二层传热为q，以此类推，第n层0,11,2冷却屏向外壁传热为q，且q=q=...=q=q。n,n+10,11,2n,n+1

由辐射传热可得：0,11+1-188A€(T4一T4由辐射传热可得：0,11+1-188A€(T4一T4)101,2qn,n„10111A€(T4-T4)1121+—18812A€(T4一T4)一1n„1n„1因多层绝热缠绕层常采用双面镀铝薄膜加间隔材料复合而成，1故8，8，...，8，8，0.05，€，5.67…10-8W-m-2-K-4，联立上式有01n„1铝n，1A€丄(T4-T4)-1，代入得n沁3.2，故至少需要4层冷却屏。q2n+io丄85、什么是接触热阻？什么是卡皮查热阻？说明他们的区别。答：复合系统中，热量会由较高温的物体流到较低温的物体。温度分布在在不同材料的交界面上有明显的温度落差，这就是因为接触面之间存在接触热阻。卡皮查热阻指的是两电介质之间的界面热阻。因最早由卡皮查提出，所以也叫卡皮查热阻。产生的主要原因是由于处于接触的两种物质的电子特性以及振动特性不相同。当载热子(声子或者电子视物质特性而定)试图穿过接触界面时，会发生散射。散射后的载热子的运动情况就完全取决于接触界面物质可用的能量状态。界面热阻不同于接触热阻，即使在原子层面上接触完美的界面，也会存在界面热阻，而对于接触热阻来说，更多的热阻是来自于界面的不接触部分。6、分析说明氦的主要相变特性、相图分布、氦工质与其他流体的主要区别，如何获得不同状态的氦。答：氦属于稀有气体，在大气中含量很少，大约只有5ppm,但在有些地方的天然气中含量很大，达1%以上。我们提及的氦往往指的是He4。氦是最难液化的气体，只有预冷到很低的温度（达到转化温度以下）才有可能通过压缩和节流的方法使其液化。同其他纯物质一样，氦的气液相变属于一阶相变，因而服从克拉贝隆-克劳修斯方程。但是，当He4沿气液平衡曲线被冷却到T=2.172K，p=5.0515kPa状态时会出现€相变，属于高阶相变，该状态点称为€点。He4的相图可分为四个区域，除气体区和固体区外，还有HeI和HeII区，并以€线为界，€线上端为液-固-液三相点，下端为液-气-液三相点。HeI的性质同一般的低温液体没有原则上的差别，称为常流氦，HeII则具有超流动性，它的内摩擦性很小而导热性很强,常称为超流氦。7、氦制冷有哪些方法？说明这些方法的制冷工艺过程以及所能够获得最低温度。答：氦制冷可分为气体膨胀制冷、氦制冷机制冷、液体抽气蒸发制冷、He3压缩制冷、He3-He4稀释制冷。其中，氦制冷机制冷主要采用气体制冷机，节流制冷器和脉管制冷器等，可到达100K以下3~5K以下的低温，以满足干冰制造、气体液化、红外探测、低温超导等方面的需要；液氦抽气蒸发制冷应将液体注入设备的液氦储槽或低温恒温器中，令其吸热蒸发，并用压缩机或真空泵不断抽除蒸发的气体，即可实现制冷过程，最低可达到0.7K低温；He3压缩制冷是将He3沿溶解曲线绝热压缩，则有部分液体固化，从而使温度降低，实现制冷；He3-He4稀释制冷顾名思义是利用其稀释时的冷效应，其溶解时伴随有吸热效应，最低可达到2~3mK的低温。8、从制冷原理、工质种类、传热特性、循环原理、装置设计等角度比较室温磁制冷、绝热退磁制冷ADR、核磁制冷有何主要区别。答：室温磁制冷，制冷剂采用Gd作为磁工质，世界上首个室温磁制冷机为美国的Astronautics，传热需要传热流体，驱动方式为永磁体，达到1.5T，运行周期不到Is（高频）；绝热退磁制冷，热汇采用液氦或小型低温制冷机，顺磁盐向热汇放热，退磁降温，传热需要热开关，驱动方式为超导体，运行周期几百秒（长周期）。9、借助超流体的二流体模型理论来解释超流体的热机械效应。答：二流体模型即是将HeII比作两种流体的混合物，其一同HeI无异，由正常原子组成且具有正常的粘性，称为常流体，另一种由“凝结”了的超流原子组成，称为超流体，超流原子具有零点能和零点熵，但不具有粘性。热机械效应指的是超流体中热能同机械能的相互转换过程，设有两个容器A和B，下部用一个毛细管连通，毛细管直径很小只有超流体能通过，两容器中盛有HeII，温度相同，液面相同。现给A施加一定压力Ap，B液面会比A升高AH；若给B升温AT，则A液面比B降低AH,且两次实验Ap和AT的比值是一样的，此为热机械效应，可用二流体模型解释。二流体模型认为只有超流体可以通过毛细管，且流动时是不带熵的，因而毛细管起到“熵过滤器”的作用，液氦中的超流部分经毛细管流出时不带走熵，即将其热量遗留在原来的容器中，由此推知，在第一个实验，在A中施加压力时A中部分超流体流出向A中遗留了一定的热量，故A中温度升高；而这部分流体进入B后要分享一部分热量，故B中温度降低。在第二个实验，给B升温后促使A中部分超流体流入B中产生液面差10、针对第I类超导体，说明超导转变过程以及磁场（内部磁场和外部磁场）对超导性能的影响。答：第一类超导