卡塔尔这么热，花式降温法了解一下？_风闻

原创：中科院物理所

这次世界杯来得比往年更晚一些，

无他，

卡塔尔实在太热了，

哪怕已经从夏天改到了冬天，

当地气温依然让人惊呼这不是夏天吗？

多哈气温 | 图片来源：https://weathernew.pae.baidu.com

反观北京，这寒潮，这降温，

这才是小编印象里的冬天啊！

从球场结构到空调安装，

为了给球员们提供舒适的环境，

卡塔尔在降温上也是花了大功夫。

3D 打印的海湾球场 ｜图片来源：qf.org

说到降温，小编那可就不困了

今天小编就带大家看一看，

为了得到低温，

人们都想出了哪些方法。

01

冰块冰块，还是冰块

在那个还没有那么多科技与狠活儿的年代，人们想要降温就只能依靠大自然的馈赠——冰块。

利用冰块降温，主要问题还是如何在炎炎夏日获得冰块。对此，古代人民有两种方法来解决：藏冰法与硝石制冰法。

先说藏冰法，顾名思义便是将冰块储藏起来。《诗经•国风•豳风•七月》中记载：“二之日凿冰冲冲，三之日纳于凌阴。”描述的便是中国古代人民利用冰窖在冬天储存冰块的场景。

古代凿冰藏冰图 | 图片来源：趣历史网 (qulishi.com)

不止是中国，其它国家也有藏冰历史，如在公元前400年左右，波斯便有了yakhchal这样的冰窖设施。

Yakhchal | 图片来源：参考资料3

硝石制冰法起源于唐朝，将硝石扔到水中，水便会慢慢降温凝结成冰。原理非常简单，就是利用了硝酸钾的溶解吸热。

硝石 | 图片来源：百度图片

硝石制冰的发现促成了中国古代冷饮行业的兴起，到了宋朝更是有了专门的冷饮店。人们也是充分发挥了创造力，发明了“冰糖冰雪冰元子”、冰镇酸梅汤、“雪泡豆儿水”、“雪泡梅花酒”等等一系列的饮品，像是冰镇酸梅汤哪怕到了现在也是十分流行。

02

迈向低温

在相当长的一段时间内，冰块在人类制冷领域一枝独秀，此时的低温也不过是0℃。

直到近代液态分离空气法的发现，人们在制冷方法上有了更多的选择，温度也终于达到了摄氏零下的领域。此后制冷的发展有了两个方向：一个是在零上温度至零下几摄氏度之间的制冷方式的优化，例如用于空调与冰箱；另一个则是不断追求更低的温度，研究物质低温下的性质。本文主要介绍第二种方向。

Linde空气液化器 | 图片来源：参考资料2

液态气体在制冷中的使用和冰块十分类似，都是通过相变制冷来进行降温。相变制冷便是利用制冷剂相变吸热来进行制冷，例如冰块融化时要吸热，这就是一个相变吸热过程。

现在实验室中最常见的制冷方法便是利用液氮和液氦做相变制冷。曾经实验室中也曾用过液氢等其它液态气体，但都没有液氮和液氦来得安全，再加上两者提取工艺的成熟，其它气体也就慢慢被淘汰掉了。

液氮 | 图片来源：百度图片

在常压下，液氮的沸点是77K（-196℃），液氦的沸点是4.2K（-268.8℃），这意味着在有了液氦和液氮之后，哪怕不进行压力调控以及其它处理方式，便可以将温度最低降至4.2K，这足以进行很多新奇物性的研究。

在接受了液氮和液氦之后，很多又临界温度的现象就有了判别的标准。这种材料的超导转变温度在77K以上？好，那它就是一种高温超导体，因为只需要液氮就可以让它转变至超导态，不用其它复杂昂贵的制冷系统，对于研究人员来说这实在是太友好了。

超导磁悬浮 | 图片来源：百度图片

除了利用液态气体进行相变制冷，还有利用固态制冷剂的相变制冷，利用节流、放气过程的膨胀制冷，热电致冷、辐射制冷以及吸附制冷等制冷方法。这些方法各有优劣，有着不同的应用场景，都为了人类的低温研究做出了贡献。

03

目标：绝对零度

热力学第三定律告诉我们：绝对零度是无法实现的。那能否去逼近这一温度呢？

我们之前讲过利用液态气体相变制冷的方法，在温度降至0.6K时，所有其它材料都是以固体的形式存在，无法得到更低的温度。氦是一种特殊的材料，其无法在常压下转变为固体，所以可以利用液氦做相变制冷达到更低的温度，但实际操作所能达到的下限也只是0.4K，距离0仍有着一段距离。

但是没有关系，我们还有方法：磁致冷、稀释制冷以及激光制冷。

磁致冷利用的是磁热效应：磁性离子系统在磁场施加与除去的过程中，会分别出现放热与吸热的现象。当系统满足绝热去磁条件时，便可以构造卡诺循环实现制冷。

磁制冷机示意图 | 图片来源：参考资料2

目前磁致冷的制冷极限可以达到mK级别，但与其它方法不同之处在于，磁致冷机只能制极冷，在高温区（20K以上）的磁致冷技术目前还没有成熟应用。这是因为绝热去磁环境以及令吸热效果显著这两点只能在极低温环境下实现。

稀释制冷技术由London率先提出并完善，其原理便是超流⁴He稀释³He****吸热，实现制冷。目前商业化的稀释制冷机可以实现5mK的极限制冷。

稀释制冷流程图 | 图片来源：参考资料2

如果你觉得5mK的温度还是太高了，没关系，我们还有激光制冷技术，直接把温度拉低到百万分之一开尔文！不过这种技术目前只适用于实验室小尺度，目还没有商业化的应用。其原理很简单，就是利用散射给物质原子减速，降低微观粒子运动的剧烈程度，从而实现降温。

04

低温技术一直发展，不曾停下

为什么不断地去研究低温、想办法逼近绝对零度？

自然是因为低温有好东西。

一方面，很多物态只有在低于转变温度时才会展现。比如之前文中提到氦是唯一无法在常压下转变为固体的气体，氦在温度小于2.18K时会出现超流的新奇物性。比如超导，材料在低于一定温度时电阻会突然消失，进入超导态。

另一方面，由于微观粒子的热涨落运动，很多微弱的现象、粒子被掩盖，无法在高温下观察到，这种时候便需要在低温环境中才能观察，比如量子计算的候选之一分数量子霍尔效应现象。

现代物理学的发展离不开低温技术的成熟，而这些新奇的物性也将推动人们向着绝对零度的探索。

参考资料：

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

2. 低温发展史及获得方法-20210322000712.pptx-原创力文档 (book118.com)

3. Ice - Wikipedia

4. 冷饮_百度百科 (baidu.com)