卡塔爾這麼熱，花式降温法瞭解一下？_風聞

原創：中科院物理所

這次世界盃來得比往年更晚一些，

無他，

卡塔爾實在太熱了，

哪怕已經從夏天改到了冬天，

當地氣温依然讓人驚呼這不是夏天嗎？

多哈氣温 | 圖片來源：https://weathernew.pae.baidu.com

反觀北京，這寒潮，這降温，

這才是小編印象裏的冬天啊！

從球場結構到空調安裝，

為了給球員們提供舒適的環境，

卡塔爾在降温上也是花了大功夫。

3D 打印的海灣球場 ｜圖片來源：qf.org

説到降温，小編那可就不困了

今天小編就帶大家看一看，

為了得到低温，

人們都想出了哪些方法。

01

冰塊冰塊，還是冰塊

在那個還沒有那麼多科技與狠活兒的年代，人們想要降温就只能依靠大自然的饋贈——冰塊。

利用冰塊降温，主要問題還是如何在炎炎夏日獲得冰塊。對此，古代人民有兩種方法來解決：藏冰法與硝石製冰法。

先説藏冰法，顧名思義便是將冰塊儲藏起來。《詩經•國風•豳風•七月》中記載：“二之日鑿冰沖沖，三之日納於凌陰。”描述的便是中國古代人民利用冰窖在冬天儲存冰塊的場景。

古代鑿冰藏冰圖 | 圖片來源：趣歷史網 (qulishi.com)

不止是中國，其它國家也有藏冰歷史，如在公元前400年左右，波斯便有了yakhchal這樣的冰窖設施。

Yakhchal | 圖片來源：參考資料3

硝石製冰法起源於唐朝，將硝石扔到水中，水便會慢慢降温凝結成冰。原理非常簡單，就是利用了硝酸鉀的溶解吸熱。

硝石 | 圖片來源：百度圖片

硝石製冰的發現促成了中國古代冷飲行業的興起，到了宋朝更是有了專門的冷飲店。人們也是充分發揮了創造力，發明了“冰糖冰雪冰元子”、冰鎮酸梅湯、“雪泡豆兒水”、“雪泡梅花酒”等等一系列的飲品，像是冰鎮酸梅湯哪怕到了現在也是十分流行。

02

邁向低温

在相當長的一段時間內，冰塊在人類製冷領域一枝獨秀，此時的低温也不過是0℃。

直到近代液態分離空氣法的發現，人們在製冷方法上有了更多的選擇，温度也終於達到了攝氏零下的領域。此後製冷的發展有了兩個方向：一個是在零上温度至零下幾攝氏度之間的製冷方式的優化，例如用於空調與冰箱；另一個則是不斷追求更低的温度，研究物質低温下的性質。本文主要介紹第二種方向。

Linde空氣液化器 | 圖片來源：參考資料2

液態氣體在製冷中的使用和冰塊十分類似，都是通過相變製冷來進行降温。相變製冷便是利用製冷劑相變吸熱來進行製冷，例如冰塊融化時要吸熱，這就是一個相變吸熱過程。

現在實驗室中最常見的製冷方法便是利用液氮和液氦做相變製冷。曾經實驗室中也曾用過液氫等其它液態氣體，但都沒有液氮和液氦來得安全，再加上兩者提取工藝的成熟，其它氣體也就慢慢被淘汰掉了。

液氮 | 圖片來源：百度圖片

在常壓下，液氮的沸點是77K（-196℃），液氦的沸點是4.2K（-268.8℃），這意味着在有了液氦和液氮之後，哪怕不進行壓力調控以及其它處理方式，便可以將温度最低降至4.2K，這足以進行很多新奇物性的研究。

在接受了液氮和液氦之後，很多又臨界温度的現象就有了判別的標準。這種材料的超導轉變温度在77K以上？好，那它就是一種高温超導體，因為只需要液氮就可以讓它轉變至超導態，不用其它複雜昂貴的製冷系統，對於研究人員來説這實在是太友好了。

超導磁懸浮 | 圖片來源：百度圖片

除了利用液態氣體進行相變製冷，還有利用固態製冷劑的相變製冷，利用節流、放氣過程的膨脹製冷，熱電致冷、輻射製冷以及吸附製冷等製冷方法。這些方法各有優劣，有着不同的應用場景，都為了人類的低温研究做出了貢獻。

03

目標：絕對零度

熱力學第三定律告訴我們：絕對零度是無法實現的。那能否去逼近這一温度呢？

我們之前講過利用液態氣體相變製冷的方法，在温度降至0.6K時，所有其它材料都是以固體的形式存在，無法得到更低的温度。氦是一種特殊的材料，其無法在常壓下轉變為固體，所以可以利用液氦做相變製冷達到更低的温度，但實際操作所能達到的下限也只是0.4K，距離0仍有着一段距離。

但是沒有關係，我們還有方法：磁致冷、稀釋製冷以及激光製冷。

磁致冷利用的是磁熱效應：磁性離子系統在磁場施加與除去的過程中，會分別出現放熱與吸熱的現象。當系統滿足絕熱去磁條件時，便可以構造卡諾循環實現製冷。

磁製冷機示意圖 | 圖片來源：參考資料2

目前磁致冷的製冷極限可以達到mK級別，但與其它方法不同之處在於，磁致冷機只能制極冷，在高温區（20K以上）的磁致冷技術目前還沒有成熟應用。這是因為絕熱去磁環境以及令吸熱效果顯著這兩點只能在極低温環境下實現。

稀釋製冷技術由London率先提出並完善，其原理便是超流⁴He稀釋³He****吸熱，實現製冷。目前商業化的稀釋製冷機可以實現5mK的極限製冷。

稀釋製冷流程圖 | 圖片來源：參考資料2

如果你覺得5mK的温度還是太高了，沒關係，我們還有激光製冷技術，直接把温度拉低到百萬分之一開爾文！不過這種技術目前只適用於實驗室小尺度，目還沒有商業化的應用。其原理很簡單，就是利用散射給物質原子減速，降低微觀粒子運動的劇烈程度，從而實現降温。

04

低温技術一直髮展，不曾停下

為什麼不斷地去研究低温、想辦法逼近絕對零度？

自然是因為低温有好東西。

一方面，很多物態只有在低於轉變温度時才會展現。比如之前文中提到氦是唯一無法在常壓下轉變為固體的氣體，氦在温度小於2.18K時會出現超流的新奇物性。比如超導，材料在低於一定温度時電阻會突然消失，進入超導態。

另一方面，由於微觀粒子的熱漲落運動，很多微弱的現象、粒子被掩蓋，無法在高温下觀察到，這種時候便需要在低温環境中才能觀察，比如量子計算的候選之一分數量子霍爾效應現象。

現代物理學的發展離不開低温技術的成熟，而這些新奇的物性也將推動人們向着絕對零度的探索。

參考資料：

1. https://www.huxiu.com/article/719812.html

2. 低温發展史及獲得方法-20210322000712.pptx-原創力文檔 (book118.com)

3. Ice - Wikipedia

4. 冷飲_百度百科 (baidu.com)