ظاهرة جول – كلفن ودورها في علم درجات الحرارة المنخفضة

2015 علوم القرن الـ21 الطاقة والمادة

براون بير

k

علم درجات الحرارة المنخفضة ظاهرة جول – كلفن الفيزياء

يبرد الجسم بانتقال الحرارة منه إلى محيطه. وللوصول بالجسم إلى درجة حرارة أقل من محيطه يجب نقل الحرارة منه.

عند سريان غاز عبر ثقب صغير إلى وعاءٍ أكبر حجماً تنخفض درجة حرارته مع انخفاض ضغطه (نظرا لاستغلال الحرارة لدفع جزيئات الغاز بعيداً عن بعضها).

تُسمى هذه الظاهرة بظاهرة جول – كلفن, أو جول – تومسون، وعليها يعتمد مبدأ عمل المُثلجات (الثلاجات)، حيث يمتص الغاز المتمدد الحرارة من المحيط الداخلي للمُثلجة.

كما تُفسر الظاهرة سبب برودة الرذاذ المنطلق من البخاخات، رغم أن المحيط الخارجي لوعاء البخاخ لا يبدو باردا.

درجات الحرارة المنخفضة

يمكن استغلال ظاهرة جول – كلفن في إسالة الغازات لبلوغ درجات حرارة منخفضة للغاية. تتم عملية إسالة الهواء بشكلٍ عامٍ، بضغطه وتبريده في مُثلجة إلى حوالي، ومن ثم يُبرد أكثر إلى درجـة  ببذله شغلاً بالتمدد في توربين.

وأخيراً يتمدد الهواء البارد عبر فتحه ضيقة ليتحول إلى سائل (عند درجة حرارة تبلغ  تقريبا). ولإسالة الغازات الأخرى نحتاج الوصول إلى درجات حرارة أدنى من ذلك،  للهيدروجين، و للهيليوم.

يشتمل علم درجات الحرارة المنخفضة على تقانات إنتاج هذه البيئات الباردة. والطريقة الشائعة لتبريد المواد تحت الدراسة بشكل سريع هي بغمرها في حوض يحتوى غازاً مسالاً، ويمكن بهذه الطريقة بلوغ درجة حرارة تصل إلى  وقد نجح العلماء في مختبراتهم في بلوغ درجات حرارة في حدود جزء من مئة بليون (10-11) من درجة فوق درجة الصفر المطلق . لكن درجة الصفر المطلق درجة حرارة نظرية يستحيل بلوغها فعليا.