ความเย็นเหนือเย็น

ไครโอเจนิกส์เบื้องต้น (Fundamental of Cryogenics)

รูปสัญลักษณ์ความเย็น

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

รูปเกล็ดน้ำแข็ง

รูปผลึกน้ำแข็ง

บทนำ

ในความหมายของไครโอเจนิกส์ (Cryogenics) ในทางฟิสิกส์ ก็คือ การศึกษาเพื่อดูพฤติกรรม และนำไปสร้างวัสดุที่สามารถทนทานต่ออุณหภูมิต่ำมาก ๆ ได้

ไครโอเจนิกส์ มันเป็นการทำความเย็นชนิดหนึ่ง แต่มีความแตกต่างจากการทำความเย็นโดยทั่วไป กล่าวคือ การทำความเย็นที่เราพบเห็นโดยทั่วไป อุณหภูมิจะลดต่ำลงไม่มาก เมื่อเทียบสถานะของการทำความเย็นแบบไครโอเจนิกส์ นักวิทยาศาสตร์กำหนดให้อุณหภูมิของไครโอเจนิกส์สามารถทำได้ต่ำกว่า -150 °C (-238 °F)

รูปการทำความเย็นสุดขั้ว

        สถานะในการทำความเย็นแบบไครโอเจนนิกส์นั้น (ต่ำกว่า-150 °C) จะมีผลต่อโครงสร้างวัสดุอย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าคาร์บอนเมื่อถูกอุณหภูมิที่ต่ำมาก ๆ โครงสร้างภายในจะเปลี่ยนแปลงไปทำให้เหล็กกล้านั้นมีความเปราะ จนถึงมีการแตกร้าวในเนื้อวัสดุได้

รูปเฟืองที่ทำจากเหล็กกล้า ถูกนำไปแช่แข็ง

ความเป็นมา

      แนวคิดทฤษฏีของไครโอเจนิกส์ ได้เริ่มต้นในช่วงประมาณปี พ.ศ. 2403 เป็นแนวคิดในการลดอุณหภูมิก๊าซ ให้มีความเย็นใกล้อุณหภูมิของจุดวิกฤติ จนสถานะของก๊าซนั้นเป็นของเหลว

      ตัวอย่างก๊าซที่มีความคิดที่จะลดอุณหภูมิให้เป็นของเหลว เช่น ออกซิเจน (Oxygen: O2), ไนโตรเจน (Nitrogen: N₂), ฮีเลียม (Helium: He) ฯลฯ

      ในปี พ.ศ. 2420 ชาลเลทท์ (Cailiet) นักวิทยาศาสตร์ของประเทศฝรั่งเศส และ พิคเต็ต (Pictet) นักวิทยาศาสตร์ของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ทั้งคู่ได้ร่วมกันทำให้ออกซิเจนนั้นเป็นของเหลวได้เป็นผลสำเร็จ งานของพวกเขาได้ทำการทดลองก๊าซออกซิเจน ศึกษาพฤติกรรมจุดเดือด และจุดหลอมเหลวของก๊าซ ศึกษาการทำความเย็น การแลกเปลี่ยนความร้อนของสาร

รูปถังเก็บความเย็นในรูปของเหลวของบริษัทดีวอร์

      ในปี พ.ศ. 2435 บริษัท ดีวอร์ (Dewar) ได้พัฒนาถังเก็บบรรจุก๊าซที่มีความเย็นต่ำ ประกอบไปด้วย ผนังแก้วจำนวน 2 ชั้น ภายในเป็นสุญญากาศ ผนังภายในจะเคลือบด้วยเงิน ทำให้เก็บความเย็นได้นานขึ้น ก๊าซที่เขาเก็บจะเป็นก๊าซฮีเลียม (He) และได้ใช้ก๊าซไนโตรเจนเหลวมาป้องกันการแผ่รังสีความร้อน

รูปคาร์ล วอน ลินเด

      ทฤษฏีการทำความเย็นโดยใช้อุปกรณ์ทางกล มี คาร์ล วอน ลินเด (Carl Von Linde) ในปี พ.ศ. 2413 เขาได้เขียนหนังสือออกมาเรื่อง “การใช้วิธีการทางกล ในการดึงเอาความร้อนออกมาจากสาร จนสารมีอุณหภูมิต่ำ” 

      อุปกรณ์ที่เขาสร้างขึ้นนำมาใช้ในโรงงานต้มเหล้าที่ออสเตรีย ได้นำการออกแบบความเย็นของเขามาใช้ในการผลิตเหล้า 11 ปีหลังจากนั้นมีโรงงานมากกว่า 1,000 แห่ง นำอุปกรณ์ความเย็นที่เขาได้ออกแบบมาใช้ในโรงงาน

      ลินเดได้ทำการศึกษาอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับหลักการของอุณหพลศาสตร์(Thermodynamics) และงานของทอมสัน และจูล จนในปี พ.ศ. 2438   ลินเด ได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ที่สามารถทำให้อากาศเป็นของเหลวได้ ซึ่งเป็นการเตรียมการเอาไว้ในการที่จะทำให้ก๊าซออกซิเจนเป็นของเหลวต่อไป

      กระบวนการในการทำให้เป็นของเหลวของลินเด ขึ้นอยู่กับก๊าซที่มีความดันสูง และผลของจูล-ทอมสัน แต่เป็นที่น่าเสียดายที่ว่ากระบวนการนี้มีอัตราการสูญเสียพลังงานที่มากเกินไป

รูปจอร์จ คลอท

      ในปี พ.ศ. 2445 จอร์จ คลอท (George Claude) นักวิทยาศาสตร์ของฝรั่งเศส ได้พัฒนา เครื่องอัดแบบลูกสูบ ที่ทำให้อากาศเป็นของเหลว โดยออกมาเป็นงานทางกล กระบวนการนี้ให้ประสิทธิภาพทางด้านพลังงานมากกว่า และทำงานที่ความดันต่ำ อากาศที่เป็นของเหลวถูกสร้างขึ้นในกระบวนการนี้ ในภายหลัง ได้ตั้งเป็นบริษัท แอร์โค (Airco)

วิดีโอสารคดีเกี่ยวกับไครโอเจนิกส์

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“อุปสรรค ของคนกลัวเรียกว่า ‘ปัญหา’

ส่วนอุปสรรค ของคนกล้าเรียกว่า ‘ความท้าทาย’ ”