Criogenia - Cryogenics
Em física , criogenia é a produção e o comportamento de materiais em temperaturas muito baixas .
O 13º Congresso Internacional de Refrigeração IIR (realizado em Washington DC em 1971) endossou uma definição universal de “criogenia” e “criogênica” aceitando um limite de 120 K (ou –153 ° C) para distinguir esses termos da refrigeração convencional. Esta é uma linha divisória lógica, uma vez que os pontos de ebulição normais dos chamados gases permanentes (como hélio , hidrogênio , néon , nitrogênio , oxigênio e ar normal ) estão abaixo de -120 ° C, enquanto os refrigerantes Freon , hidrocarbonetos e outros refrigerantes comuns têm pontos de ebulição acima de -120 ° C . O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos considera o campo da criogenia como aquele que envolve temperaturas abaixo de -180 ° C (93 K; -292 ° F).
A descoberta de materiais supercondutores com temperaturas críticas significativamente acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido proporcionou um novo interesse em métodos confiáveis e de baixo custo de produção de refrigeração criogênica de alta temperatura. O termo "criogênico de alta temperatura" descreve temperaturas que variam de acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, −195,79 ° C (77,36 K; −320,42 ° F), até −50 ° C (223 K; −58 ° F).
Os criogênicos usam a escala de temperatura Kelvin ou Rankine , que mede a partir do zero absoluto , em vez de escalas mais usuais, como Celsius, que mede a partir do ponto de congelamento da água ao nível do mar ou Fahrenheit com seu zero em uma temperatura arbitrária.
Definições e distinções
- Criogenia
- Os ramos da engenharia que envolvem o estudo de temperaturas muito baixas, como produzi-las e como os materiais se comportam nessas temperaturas.
- Criobiologia
- O ramo da biologia que envolve o estudo dos efeitos das baixas temperaturas nos organismos (mais frequentemente com o propósito de alcançar a criopreservação ).
- Crioconservação de recursos genéticos animais
- A conservação do material genético com o intuito de conservar uma raça.
- Criocirurgia
- Ramo da cirurgia que aplica temperaturas criogênicas para destruir e matar tecidos, por exemplo, células cancerosas.
- Crioeletrônica
- O estudo de fenômenos eletrônicos em temperaturas criogênicas. Os exemplos incluem supercondutividade e salto de faixa variável .
- Criónica
- Criopreservando humanos e animais com a intenção de um futuro reavivamento. "Criogenia" às vezes é erroneamente usado para significar "Criônica" na cultura popular e na imprensa.
Etimologia
A palavra criogenia vem do grego κρύος (cryos) - "frio" + γενής (genis) - "gerando".
Fluidos criogênicos
Fluidos criogênicos com ponto de ebulição em Kelvin .
Fluido | Ponto de ebulição (K) |
---|---|
Helium-3 | 3,19 |
Helium-4 | 4,214 |
Hidrogênio | 20,27 |
Néon | 27,09 |
Azoto | 77,09 |
Ar | 78,8 |
Flúor | 85,24 |
Argônio | 87,24 |
Oxigênio | 90,18 |
Metano | 111,7 |
Aplicações industriais
Gases liquefeitos , como nitrogênio líquido e hélio líquido , são usados em muitas aplicações criogênicas. O nitrogênio líquido é o elemento mais comumente usado na criogenia e pode ser adquirido legalmente em todo o mundo. O hélio líquido também é comumente usado e permite que as temperaturas mais baixas possíveis sejam atingidas.
Esses líquidos podem ser armazenados em frascos Dewar , que são recipientes de parede dupla com alto vácuo entre as paredes para reduzir a transferência de calor para o líquido. Os frascos Dewar típicos de laboratório são esféricos, feitos de vidro e protegidos em um recipiente externo de metal. Os frascos Dewar para líquidos extremamente frios, como o hélio líquido, têm outro recipiente de parede dupla cheio de nitrogênio líquido. Os frascos Dewar têm o nome de seu inventor, James Dewar , o homem que primeiro liquefeito o hidrogênio . As garrafas térmicas são frascos de vácuo menores encaixados em uma caixa protetora.
Etiquetas de código de barras criogênicas são usadas para marcar frascos Dewar contendo esses líquidos e não congelam até -195 graus Celsius.
As bombas de transferência criogênica são usadas nos píeres de GNL para transferir gás natural liquefeito de transportadores de GNL para tanques de armazenamento de GNL , assim como as válvulas criogênicas.
Processamento criogênico
O campo da criogenia avançou durante a Segunda Guerra Mundial, quando cientistas descobriram que metais congelados a baixas temperaturas apresentavam maior resistência ao desgaste. Com base nesta teoria de endurecimento criogênico , a indústria de processamento criogênico comercial foi fundada em 1966 por Ed Busch. Com experiência na indústria de tratamento térmico , Busch fundou uma empresa em Detroit chamada CryoTech em 1966, que se fundiu com a 300 Below em 1999 para se tornar a maior e mais antiga empresa de processamento criogênico comercial do mundo. Busch originalmente experimentou a possibilidade de aumentar a vida útil das ferramentas de metal para algo entre 200% e 400% da expectativa de vida original usando têmpera criogênica em vez de tratamento térmico. Isso evoluiu no final da década de 1990 para o tratamento de outras partes.
Os criogênios, como o nitrogênio líquido , são usados posteriormente em aplicações especiais de resfriamento e congelamento. Algumas reações químicas, como aquelas usadas para produzir os ingredientes ativos dos medicamentos populares com estatinas , devem ocorrer a baixas temperaturas de aproximadamente −100 ° C (−148 ° F). Reatores químicos criogênicos especiais são usados para remover o calor da reação e fornecer um ambiente de baixa temperatura. O congelamento de alimentos e produtos de biotecnologia, como vacinas , requer nitrogênio em sistemas de congelamento rápido ou de imersão. Certos materiais moles ou elásticos tornam-se duros e quebradiços em temperaturas muito baixas, o que torna a moagem criogênica ( crio- fresagem ) uma opção para alguns materiais que não podem ser facilmente moídos em temperaturas mais altas.
O processamento criogênico não é um substituto para o tratamento térmico, mas sim uma extensão do ciclo de aquecimento-têmpera-revenido. Normalmente, quando um item é temperado, a temperatura final é ambiente. A única razão para isso é que a maioria dos tratadores térmicos não possui equipamento de resfriamento. Não há nada metalurgicamente significativo na temperatura ambiente. O processo criogênico continua esta ação desde a temperatura ambiente até −320 ° F (140 ° R; 78 K; −196 ° C). Na maioria dos casos, o ciclo criogênico é seguido por um procedimento de têmpera a quente. Como todas as ligas não possuem os mesmos constituintes químicos, o procedimento de revenimento varia de acordo com a composição química do material, histórico térmico e / ou aplicação de serviço particular de uma ferramenta.
Todo o processo leva de 3 a 4 dias.
Combustíveis
Outro uso da criogenia são os combustíveis criogênicos para foguetes com hidrogênio líquido como o exemplo mais amplamente utilizado. O oxigênio líquido (LOX) é ainda mais amplamente usado, mas como um oxidante , não um combustível. NASA laborioso do Space Shuttle utilizado criogénico propulsor hidrogénio / oxigénio como seu principal meio de entrar em órbita . LOX também é amplamente usado com RP-1 querosene, um hidrocarboneto não criogênico, como nos foguetes construídos para o programa espacial soviético por Sergei Korolev .
O fabricante de aeronaves russo Tupolev desenvolveu uma versão de seu popular design Tu-154 com um sistema de combustível criogênico, conhecido como Tu-155 . O avião usa um combustível conhecido como gás natural liquefeito ou GNL e fez seu primeiro voo em 1989.
Outras aplicações
Algumas aplicações da criogenia:
- A ressonância magnética nuclear (NMR) é um dos métodos mais comuns para determinar as propriedades físicas e químicas dos átomos por meio da detecção da radiofrequência absorvida e do relaxamento subsequente dos núcleos em um campo magnético. Esta é uma das técnicas de caracterização mais comumente usadas e tem aplicações em vários campos. Primeiramente, os fortes campos magnéticos são gerados por eletroímãs de super-resfriamento, embora existam espectrômetros que não requerem criogênios. Nos solenóides supercondutores tradicionais, o hélio líquido é usado para resfriar as bobinas internas porque tem um ponto de ebulição de cerca de 4 K à pressão ambiente. Supercondutores metálicos baratos podem ser usados para a fiação da bobina. Os chamados compostos supercondutores de alta temperatura podem ser super conduzidos com o uso de nitrogênio líquido, que ferve a cerca de 77 K.
- A imagem de ressonância magnética (MRI) é uma aplicação complexa de NMR onde a geometria das ressonâncias é deconvoluída e usada para objetos de imagem detectando o relaxamento de prótons que foram perturbados por um pulso de radiofrequência no campo magnético forte. Isso é mais comumente usado em aplicativos de saúde.
- Nas grandes cidades, é difícil transmitir energia por cabos aéreos, então cabos subterrâneos são usados. Mas os cabos subterrâneos ficam aquecidos e a resistência do fio aumenta, levando ao desperdício de energia. Supercondutores podem ser usados para aumentar a produção de energia, embora exijam líquidos criogênicos, como nitrogênio ou hélio, para resfriar cabos especiais contendo ligas para aumentar a transmissão de energia. Vários estudos de viabilidade foram realizados e o campo é objeto de um acordo dentro da Agência Internacional de Energia .
- Os gases criogênicos são usados no transporte e armazenamento de grandes massas de alimentos congelados . Quando grandes quantidades de alimentos devem ser transportadas para regiões como zonas de guerra, regiões atingidas por terremotos, etc., elas devem ser armazenadas por um longo tempo, então o congelamento criogênico de alimentos é usado. O congelamento criogênico de alimentos também é útil para indústrias de processamento de alimentos em grande escala.
- Muitas câmeras infravermelhas (infravermelho voltado para a frente ) exigem que seus detectores sejam resfriados criogenicamente.
- Certos grupos sanguíneos raros são armazenados em baixas temperaturas, como −165 ° C, em bancos de sangue.
- A tecnologia criogênica usando nitrogênio líquido e CO 2 foi incorporada aos sistemas de efeito de boate para criar um efeito de refrigeração e névoa branca que pode ser iluminada com luzes coloridas.
- O resfriamento criogênico é usado para resfriar a ponta da ferramenta no momento da usinagem no processo de fabricação . Aumenta a vida útil da ferramenta. O oxigênio é usado para desempenhar várias funções importantes no processo de fabricação do aço.
- Muitos foguetes usam gases criogênicos como propelentes. Isso inclui oxigênio líquido, hidrogênio líquido e metano líquido.
- Ao congelar o pneu do automóvel ou do caminhão em nitrogênio líquido, a borracha se torna quebradiça e pode ser esmagada em pequenas partículas. Essas partículas podem ser usadas novamente para outros itens.
- Pesquisas experimentais sobre certos fenômenos físicos, como spintrônica e propriedades de magnetotransporte, requerem temperaturas criogênicas para que os efeitos sejam observados.
- Certas vacinas devem ser armazenadas em temperaturas criogênicas. Por exemplo, a vacina Pfizer – BioNTech COVID-19 deve ser armazenada em temperaturas de −90 a −60 ° C (−130 a −76 ° F). (Veja rede de frio .)
Produção
Arrefecimento criogénico de dispositivos e materiais é geralmente conseguida através do uso de azoto líquido , hélio líquido , ou um cryocooler mecânica (que utiliza linhas de hélio de alta pressão). Uso espacial Gifford-McMahon, uso espacial tubo de impulso e uso espacial Stirling estão em vasta utilização com selecção com base na temperatura de base requerida e a capacidade de arrefecimento. O desenvolvimento mais recente em criogenia é o uso de ímãs como regeneradores e também como refrigeradores. Esses dispositivos funcionam segundo o princípio conhecido como efeito magnetocalórico .
Detectores
Existem vários detectores criogênicos que são usados para detectar partículas.
Para medição de temperatura criogênica até 30 K, sensores Pt100, um detector de temperatura de resistência (RTD) , são usados. Para temperaturas inferiores a 30 K, é necessário usar um diodo de silício para maior precisão.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Haselden, GG (1971), Cryogenic fundals, Academic Press, New York, ISBN 0-12-330550-0 .