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低温物理学 (Cryogenics),又称低温学,是物理学的一个分支,主要研究物质在低温状况下的物理性质的科学,有时也包括低温下获得的生成物和它的测量技术。在低温物理学中的低温定义为 -150°C( -238°F,即123K)以下的温度。

19世纪,英国物理学家法拉第在一次实验中偶然液化氯气,他由此认为一切气体在低温高压的情况下都可以被液化。到了1840年代,法拉第本人已经成功液化了当时大多数的已知气体,只有氧气氮气氢气一氧化碳二氧化氮甲烷六种气体无法液化,而且创出当时的最低温度( -110°C, 163K)。随后,低温设备不断被改良,逐级降温和定压气体膨胀方法开始广泛应用。1898年英国物理学家杜瓦成功液化氢气,标志着这六种气体都能够被液化。1895年,英国化学家从矿石中分离出更难液化的气体——氦气。直至1908年,才成功被荷兰莱顿大学的物理学家海克·卡末林·昂内斯液化,同时令低温记录创下新低( -269°C, 4K)。之后,昂内斯获得1913年的诺贝尔物理学奖

1911年,昂内斯意外发现以( -268.8°C, 4.2K)的液氦冷却时,电阻突然骤降到接近零欧姆(0Ω),此现象即为超导现象。随后,他又发现在低温下也和汞一样具有相似的超导特性。超导效应的发展前景可观,如果能使超导材料在室温下应用,将能大大提高输电的效能,延长材料使用的寿命,降低热损耗。近年,物理学家正不断寻找超导转变温度(Tc)更高的超导材料。目前,高温超导体已经成为凝聚态物理学中最热门的研究领域。

定义与差别

低温物理学

低温物理学是研究如何有效率制造低温环境,并研究物质于低温状态下的变化,例如,粒子震动的变化。此外,低温物理学常用绝对温度(K)及兰金温标(°R)为温度标准,很少会使用摄氏(°C)及华氏(°F)。

低温生物学

低温生物学是生物学的分支之一,主要研究生物器官在低温下的状态及影响。低温生物学最热门的研究为低温繁殖技术。

人体冷藏学

人体冷藏学是一项尚未成熟的技术,目的是要冷却人体动物,并希望能在未来使其复活。人体冷藏学与低温生物学不同,现时并没有一个实际而成功的例子。部分人对其可行性有所怀疑,其中有不少是科学家及医生。而且,人体冷藏学还需要面对其相关学科的应用,如低温物理学、低温生物学、流变学医学等等,令其实现增添难道。

低温标准

低温物理学的英语(Cryogenics)源自希腊语,字面意思是“the production of icy cold”,即“冰冻的产物”,又可解作“在低温状态”的类义字。但是,仍没有为低温定下标准,因而没有说明需要制冷至几度才是低温物理学的范畴。所以,美国国家标准技术研究所NIST, National Institute of Standards and Technology)制定,温度必须低于 -180°C,即93.15K,才并入低温物理学范畴。这温度介乎于惰性气体沸点之间。因此,使低温物理学有特定的标准。

工业应用

工业应用上制造液化气体,如液态氮液态氦,其中也会使用到低温物理学的技术。

参见


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