原文標(biāo)題：《卡塔爾這么熱，花式降溫法了解一下？》
這次世界杯來得比往年更晚一些，
無他，
卡塔爾實在太熱了，
哪怕已經(jīng)從夏天改到了冬天，
當(dāng)?shù)貧鉁匾廊蛔屓梭@呼這不是夏天嗎？
反觀北京，這寒潮，這降溫，
這才是小編印象里的冬天??！
從球場結(jié)構(gòu)到空調(diào)安裝，
為了給球員們提供舒適的環(huán)境，
卡塔爾在降溫上也是花了大功夫。
說到降溫，小編那可就不困了
今天小編就帶大家看一看，
為了得到低溫，
人們都想出了哪些方法。
01、冰塊冰塊，還是冰塊
在那個還沒有那么多科技與狠活兒的年代，人們想要降溫就只能依靠大自然的饋贈 —— 冰塊。
利用冰塊降溫，主要問題還是如何在炎炎夏日獲得冰塊。對此，古代人民有兩種方法來解決：藏冰法與硝石制冰法。
先說藏冰法，顧名思義便是將冰塊儲藏起來?！对娊?jīng)?國風(fēng)?豳風(fēng)?七月》中記載：“二之日鑿冰沖沖，三之日納于凌陰?！泵枋龅谋闶侵袊糯嗣窭帽言诙靸Υ姹鶋K的場景。
不止是中國，其它國家也有藏冰歷史，如在公元前 400 年左右，波斯便有了 yakhchal 這樣的冰窖設(shè)施。
硝石制冰法起源于唐朝，將硝石扔到水中，水便會慢慢降溫凝結(jié)成冰。原理非常簡單，就是利用了硝酸鉀的溶解吸熱。
硝石制冰的發(fā)現(xiàn)促成了中國古代冷飲行業(yè)的興起，到了宋朝更是有了專門的冷飲店。人們也是充分發(fā)揮了創(chuàng)造力，發(fā)明了“冰糖冰雪冰元子”、冰鎮(zhèn)酸梅湯、“雪泡豆兒水”、“雪泡梅花酒”等等一系列的飲品，像是冰鎮(zhèn)酸梅湯哪怕到了現(xiàn)在也是十分流行。
02、邁向低溫
在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，冰塊在人類制冷領(lǐng)域一枝獨秀，此時的低溫也不過是 0℃。
直到近代液態(tài)分離空氣法的發(fā)現(xiàn)，人們在制冷方法上有了更多的選擇，溫度也終于達(dá)到了攝氏零下的領(lǐng)域。此后制冷的發(fā)展有了兩個方向：一個是在零上溫度至零下幾攝氏度之間的制冷方式的優(yōu)化，例如用于空調(diào)與冰箱；另一個則是不斷追求更低的溫度，研究物質(zhì)低溫下的性質(zhì)。本文主要介紹第二種方向。
液態(tài)氣體在制冷中的使用和冰塊十分類似，都是通過相變制冷來進(jìn)行降溫。相變制冷便是利用制冷劑相變吸熱來進(jìn)行制冷，例如冰塊融化時要吸熱，這就是一個相變吸熱過程。
現(xiàn)在實驗室中最常見的制冷方法便是利用液氮和液氦做相變制冷。曾經(jīng)實驗室中也曾用過液氫等其它液態(tài)氣體，但都沒有液氮和液氦來得安全，再加上兩者提取工藝的成熟，其它氣體也就慢慢被淘汰掉了。
在常壓下，液氮的沸點是 77K（-196℃），液氦的沸點是 4.2K（-268.8℃），這意味著在有了液氦和液氮之后，哪怕不進(jìn)行壓力調(diào)控以及其它處理方式，便可以將溫度最低降至 4.2K，這足以進(jìn)行很多新奇物性的研究。
在接受了液氮和液氦之后，很多又臨界溫度的現(xiàn)象就有了判別的標(biāo)準(zhǔn)。這種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在 77K 以上？好，那它就是一種高溫超導(dǎo)體，因為只需要液氮就可以讓它轉(zhuǎn)變至超導(dǎo)態(tài)，不用其它復(fù)雜昂貴的制冷系統(tǒng)，對于研究人員來說這實在是太友好了。
除了利用液態(tài)氣體進(jìn)行相變制冷，還有利用固態(tài)制冷劑的相變制冷，利用節(jié)流、放氣過程的膨脹制冷，熱電致冷、輻射制冷以及吸附制冷等制冷方法。這些方法各有優(yōu)劣，有著不同的應(yīng)用場景，都為了人類的低溫研究做出了貢獻(xiàn)。
03、目標(biāo)：絕對零度
熱力學(xué)第三定律告訴我們：絕對零度是無法實現(xiàn)的。那能否去逼近這一溫度呢？
我們之前講過利用液態(tài)氣體相變制冷的方法，在溫度降至 0.6K 時，所有其它材料都是以固體的形式存在，無法得到更低的溫度。氦是一種特殊的材料，其無法在常壓下轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，所以可以利用液氦做相變制冷達(dá)到更低的溫度，但實際操作所能達(dá)到的下限也只是 0.4K，距離 0 仍有著一段距離。
但是沒有關(guān)系，我們還有方法：磁致冷、稀釋制冷以及激光制冷。
磁致冷利用的是磁熱效應(yīng)：磁性離子系統(tǒng)在磁場施加與除去的過程中，會分別出現(xiàn)放熱與吸熱的現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)滿足絕熱去磁條件時，便可以構(gòu)造卡諾循環(huán)實現(xiàn)制冷。
目前磁致冷的制冷極限可以達(dá)到 mK 級別，但與其它方法不同之處在于，磁致冷機只能制極冷，在高溫區(qū)（20K 以上）的磁致冷技術(shù)目前還沒有成熟應(yīng)用。這是因為絕熱去磁環(huán)境以及令吸熱效果顯著這兩點只能在極低溫環(huán)境下實現(xiàn)。
稀釋制冷技術(shù)由 London 率先提出并完善，其原理便是超流?He 稀釋 3He 吸熱，實現(xiàn)制冷。目前商業(yè)化的稀釋制冷機可以實現(xiàn) 5mK 的極限制冷。
如果你覺得 5mK 的溫度還是太高了，沒關(guān)系，我們還有激光制冷技術(shù)，直接把溫度拉低到百萬分之一開爾文！不過這種技術(shù)目前只適用于實驗室小尺度，目前還沒有商業(yè)化的應(yīng)用。其原理很簡單，就是利用散射給物質(zhì)原子減速，降低微觀粒子運動的劇烈程度，從而實現(xiàn)降溫。
04、低溫技術(shù)一直發(fā)展，不曾停下
為什么不斷地去研究低溫、想辦法逼近絕對零度？
自然是因為低溫有好東西。
一方面，很多物態(tài)只有在低于轉(zhuǎn)變溫度時才會展現(xiàn)。比如之前文中提到氦是唯一無法在常壓下轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的氣體，氦在溫度小于 2.18K 時會出現(xiàn)超流的新奇物性。比如超導(dǎo)，材料在低于一定溫度時電阻會突然消失，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。
另一方面，由于微觀粒子的熱漲落運動，很多微弱的現(xiàn)象、粒子被掩蓋，無法在高溫下觀察到，這種時候便需要在低溫環(huán)境中才能觀察，比如量子計算的候選之一分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象。
現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展離不開低溫技術(shù)的成熟，而這些新奇的物性也將推動人們向著絕對零度的探索。
參考資料：
1. https://www.huxiu.com/article/719812.html
2. 低溫發(fā)展史及獲得方法-20210322000712.pptx-原創(chuàng)力文檔 (book118.com)
3. Ice - Wikipedia
4. 冷飲_百度百科 (baidu.com)
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：樂子超人
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