온도영역1.

일상생활에서 느끼는 온도의 범위는 상당히 제한적이다- .

사람의 체온이- 36.5o 이기 때문에 이 주위의 온도에 익숙해져 있다C .

태양 등 항성의 중심온도가 대략- 109로 추정

우주의 최저온도는- 2.74로 관측

최저온도는 우주에서 오는 마이크로파 열복사 를 인공위성에 탑재된- ( )

실험장치로 관측한 결과

우주배경복사- : COBE 실험(Cosmic Background Explorer Satellite)

때 생긴 식은 광자들에 의한 것-“Big-Bang" (cold)

실험실에서 실현할 수 있는 물체의 최저온도는- 10-5이다.

핵의 온도만을 고려할 경우- 10-9에 이를 수 있다.

자연의 영역을 실험실에서 성취할 수 있는 물리학 분야는 없다- .

고온 고압 고청정 고진공 등을 자연의 값 이하로 얻을 수 없다- , , , .

극저온 분야만이 자연의 영역을 뛰어넘는 온도를 실험실에서 실현-

2. 냉동액체 및 극저온에 대한 약사

년대에 미국의 라는 의사가 고압의 공기를 팽창-1840 Gorrie

공기의 액화를 시도한 것이 기체액화의 시작-

년 이-Joule-Thompson(1853 ) 밸브의 개발Joule-Thompson

대량의 공기를 한꺼번에 액화 가능-

순수 원소에 대한 액화는 년 프랑스 가 처음- 1877 Cailletet

기압의 산소를 팽창시킴으로써 액체산소의 방울을 관찰-300

충분한 량의 산소 와- : Wroblewski Olszewski (1883)

년-1892 는 액화기체를 오래 보관할 수 있는 용기를 개발Dewar

현재의 보온병 의 구조와 동일한 구조- (thermos bottle)

용기의 내벽과 외벽사이를 진공으로 하여 외부로부터 열전도를 차단-

내벽들을 은으로 칠하여 열복사 전자기파 복사 를 없앰- ( )

년 는 이 용기를 사용하여-1898 Dewar 20의 액체수소를 모음

년 독일의-1879 는 액화공기를 양산하는 공장을 설립Linde

년 미국에 액화공기를 대량생산하는 공장을 건립-1907

년부터 액화공기의 대량생산이 미국에서도 가능-1912

년 네덜란드의-1908 는Onnes 60정도의 액체헬륨을 얻는데 성공

액체헬륨의 끓는점은 액화기체 중 가장 낮은- 4.2

는 액체헬륨의 증기압을 내려-Onnes 0.7의 온도를 얻을 수 있었다.

년 수은의 초전도성을 발견-1911

년 는 액체산소 가솔린 혼합 추진제를 사용한 로켓발사-1926 Goddard -

독일의 로켓 년- V-2 (1942 Dornbergar)

산소의 경우 년에 하루에 톤의 생산이 가능한 공장이 가동- 1949 300

차 대전 후에는 본격적인 로켓개발이 시작-2

년 액체수소 추진제를 사용한 이 개발-1956 Atlas ICBM

년에는 액체수소 액체산소 추진제를 사용한 로켓-1961 - Saturn V

년-1934 는 헬륨액화기에 팽창엔진을 사용Kapitza

액체헬륨 액화기는 대학 등 연구기관에도 많이 보급-

년 전자소자화 냉동법이 와 에 의해 제안-1926 Giaque Debye

년-1933 Giaque, MacDougall (0.3 과 의) Leiden De Haas,

Wiersma, Kramers(0.09 들에 의해 실현)

-영역의 온도를 얻는데 성공

년 과-1966 Hall 는 독립적으로Naganov 3He-4 희석냉동기의 개발He

희석냉동기는 지속적인- 온도영역을 준다.

년 에 의해 핵소자화 냉동의 제안-1934 Gorter

년-1956 에 의해 핵소자화냉동이 처음으로 실현Kurti

핵소자화 냉동기로 핵의 온도를- 영역으로 내릴 수 있다.

물체의 온도를- 10로 내릴 수 있다.

극저온에서 생기는 물리현상에 대해서 연구-

기체액화의 방법3.

반전온도가 높은 기체들은 밸브만으로 액화가 가능- Joule-Thompson

네온 헬륨 등 반전온도가 낮은 기체는 팽창엔진에 의한 단열팽창- ,

과정을 거친 후 과정에 의해 최종적으로 액화된다Joule-Thompson .

(1) 단열 팽창과정

단열과정은 외부에서 유입되는 열이 없다- ().

이에 따라 계의 엔트로피 변화도 없다- .

엔트로피는- 로 정의되고 이므로

≡

-

로 정의되므로

관계식인-Maxwell

을 이용하면 단열과정에서

압력변화에 따른 온도변화는

≡

팽창계수-

는 모든 기체에서 양이므로 는 양의 값을 가진다.

단열팽창과정에서는 항상 압력의 감소에 따른 온도감소의 효과 존재-

(2) 과정Joule-Thompson

높은 압력의 기체가 목 을 통과하면 낮은 압력으로 됨- (throttle)

단열과정-

목의 구조는 밸브이고 압축된 기체가 밸브를 통과하여 대기압이 된다-

밸브를 통과한 액체의 온도가 떨어지게 된다- .

목의 좌우 기체의 이동에 의해 기체가 한 일은-

외부에서 열의 유입이 없다면 열역학 제 법칙에서- 1

-인 경우 이 되어야 한다.

이는 내부에너지의 감소 즉 기체의 온도가 내려감을 의미한다- , .

기체의 내부에너지를- 라 두면 열역학 제 법칙과 위 식에서1

-≡이므로 과정에서는 엔탈피가 보존Joule-Thompson

열역학 제 법칙은- 1 ≡

-

-에 관련되는 변수는 이므로 전미분 를 구하여 대입하면

과정에서는 엔탈피가 보존되어-Joule-Thompson 이므로

계수 는Joule-Thompson (coefficient)

관계식인-Maxwell

을 이용

계수는 두 항의 상대적 크기에 따라 음 또는 양-Joule-Thompson

양이면 압력감소에 따라 온도가 감소하고 음이면 압력감소에 따라- ,

온도가 증가한다.

기체액화를 위해서는 온도의 감소가 있어야 하므로- 의 값이 양

상그림 에서 기체의 엔탈피 과정-P-T (phase diagram) 等

-의 부호가 바뀌는 선을 연결한 곡선이 반전곡선(Inversion curve)

-의 값이 양에서 음으로 바뀌는 지점

과정에 의해 기체가 액화되려면-Joule-Thompson 반전곡선의 좌측에

해당되는 압력과 온도에서 과정을 행해야 한다Joule-Thompson .

팽창에 의해 온도감소의 효과는 이 영역에서만 가능-

과정의 시작온도는 최대 반전온도이하여야만 한다-Joule-Thompson .

- 즉 압력이 일 때의 반전온도이다, 0 .

이상기체는 과정에 의해서 온도감소의 효과가 없다- Joule-Thompson

이상기체의 경우-

이므로 이 되기 때문

밸브에 의해 온도 감소를 얻기 위해서는 실제기체-Joule-Thompson

여러 기체들의 최대 반전온도-

액화기체들의 기압에서의 끓는점도 함께 주어져 있다- 1 .

최대반전온도가 낮은 기체일수록 액화기체의 끓는점이 낮다- .

끓는점이 낮은 기체일수록 액화시키기도 어렵다는 것을 의미한다- .

반전온도가 상온보다 높은 기체와 상온보다 낮은 기체로 구분-

헬륨 수소 네온을 제외한 모든 기체들은 상온 이상의 반전온도- , ,

이들 기체들은 밸브만으로 기체의 액화가 가능- Joule-Thompson

헬륨 수소 네온 등은 밸브를 이용하여 기체를- , , Joule-Thompson

액화시키기 전 팽창엔진을 이용하여 반전온도이하로 내려야 한다.

최대 반전온도가 낮은 기체들을 액화시키기 위해서는-

팽창엔진과 밸브가 모두 필요하다Joule-Thompson .

기체 최대반전온도(K)끓는점

기압에서(K, 1 )

액체밀도

(kg/m3)헬륨4 45 4.21 124.8수소 205 20.27 70.79네온 250 27.09 1206질소 607 77.36 807.3공기 603 78.80 874

일산화탄소 652 81.60아르곤 794 87.28 1394산소 893 90.18 1141메탄 939 111.70 424.1

암모니아 1994 239.80

액화기(3) (Liquefier)

대부분의 기체들은 반전온도가 상온이상이므로- Joule-Thompson

밸브만으로 액화가 가능하다.

네온 수소 헬륨 등은 팽창엔진에 의해 온도를 반전온도까지 내린 후- , ,

밸브에 의해 최종적으로 액화된다Joule-Thompson .

밸브에 의한 온도 감소효과는 아주 작다-Joule-Thompson .

기압의 압력변화에 대해 대략 십 분의 몇-1 o 정도의 온도 감소C

과정을 연속적으로 반복할 경우 원하는 온도까지 내려 액화가 가능-

팽창엔진에서 팽창에 의해 발생하는 기체의 온도변화는 크다- .

팽창엔진은 내부에 액체가 있으면 작동이 되지 않는다- .

따라서 기체의 온도를 반전온도이하로 내리는데 주로 사용되고 있다- .

기체의 온도를 반전온도 이하로 내리기 위해서 때로는 끓는점이-

낮은 다른 액화기체 헬륨액화기에 액체질소를 사용 를 이용( )

액화기는 네 부분으로 나누어진다- .

압축기 열교환기- (compressor), (heat exchanger)

팽창엔진 밸브- (expansion engine), Joule-Thomson

압축기는 팽창엔진 및 밸브 쪽으로 높은 압력의- Joule-Thomson

기체를 주입시키는데 사용된다.

열교환기는 압축기에서 냉동기로 들어가는 높은 온도의 기체와-

냉동기에서 압축기로 되돌아오는 낮은 온도의 기체가 열 교환을

하도록 하는 장치이다.

열교환기는 냉동기에 주입되는 기체의 온도를 되도록 떨어뜨려-

냉동기의 효율을 좋게 만드는 중요한 장치이다.

팽창엔진은 액화시키기 위해 반전온도 이하로 온도를 내리는 역할-

반전온도가 상온보다 훨씬 높은 기체의 경우 팽창엔진이 필요 없다-

밸브는 기체를 최종적으로 액화시키는 장치이다-Joule-Thomson .

액화기-Linde-Hampson

네온 수소 헬륨을 제외한 기체를 액화시키는 데 사용한다- , , .

Nitrogen Liquefier

헬륨액화기-Collins

두 개의 팽창엔진과 밸브로 구성- Joule-Thompson

팽창엔진에 주입되는 헬륨기체는 액체질소를 통과-

팽창엔진에 주입되는 헬륨의 온도를 액체질소의 온도- (77 로 내린다)

개의 열교환기-4

액체헬륨의 특성4.

헬륨의 동위원소 중에 안정한 원소- : 3He, 4He

-6He, 8He, 10 은 생존시간이He 0.82, 0.21, 10-10초인 불안정한 원소

공기 중에- 4 의 량은 약 정도 이 중He 0.00013% , 3 의 량은He 10-5 %

헬륨의 량이 공기 중에 너무 적게 포함되어 있기 때문에 공기보다-

헬륨이 훨씬 많이 포함된 천연가스에서 기체헬륨을 추출하고 있다.

원자로의 핵반응에서 부산물로 헬륨이 얻어지기도 한다- .

→

→

-3 은 거의 대부분 위와 같은 원자로의 핵반응에서 얻어진다He .

천연가스에도 위와 같은 핵반응에 의해 생성된 것이 포함-

-4 는 년 에 의해 처음으로 액화He 1908 Onnes

냉동액체 중에서 가장 끓는점이 낮은- 4.2 기압에서 이다(1 ) .

-3 과He 4 의 핵은 통계역학적으로 다른 입자에 속한다He .

-3 핵은 두 개의 양성자와 한 개의 중성자로 구성 인He : 1/2 Fermion

-4 핵은He 3 핵보다 중성자가 하나 더 많아서 핵스핀이 인He 0 Boson

액체헬륨은 절대영도까지도 액체 상태를 유지하는 유일한 액체이다- .

고체로 만들기 위해 절대영도에서 기압- 25 (3 은 기압 의 압력He 34 )

헬륨의 독특한 두 가지 성질-

첫째 헬륨은 불활성 기체로 쌍극자 모멘트가 없으며 이에 따라- ,

중성 헬륨원자 상호간에 작용하는 힘이 미미하다van der Waals .

둘째 작은 질량 때문에 양자역학적인 영점에너지가 아주 크다- , .

영점에너지는- 으로 주어진다.

헬륨은 질량이 작은 관계로 다른 어떤 원소보다 영점에너지가 크다- .

특정온도이하에서는 초유체의 성질을 가진다- .

점성이 없고 열전도가 무한대가 되는 등 특이한 성질을 보인다- .

년 는-1920 Onnes 4 의 비열의 변화에서 새로운 으로 전이를 발견He 相

전이는- 2.17相 근방에서 비열의 갑작스런 변화로 관찰

비열 실험치의 모양이 그리스 문자- 와 비슷하다고 하여 전이-

응집으로 설명-Bose-Einstein

-3 의 핵은He Fermion

응집이 없어 초유체를 보이지 않을 것이라고 예상-Bose-Einstein

년-1972 등이Osheroff 이하에서 초유체가 되는 것을 발견

-3 초유체 현상은 초전도현상을 설명하는 쌍 모델로 설명He Cooper

헬륨들의 그림 온도의 축은 눈금- , log相

-4 는 두 가지 액체인 보통유체 과 초유체 로 구성He HeI( ) HeII( )

상전이 온도인- 선에 의해 경계 지워짐-

-3 는 두 종류의 초유체 액체He ( 3 와 액체He-A 3 로 나누어짐He-B)

-4 와 달리He 3 은 융해곡선이 근방에서 최소값을 가진다He 0.3K .

-3 의 이 특징은 고체He 3 의 융해를 이용한 냉동과He Pomeranchuck

극저온 온도측정에 이용되고 있다.

초유체 의 특징은 액체와 접촉하는 면에 형성되는 박막이 두껍다- HeII

포화증기압 상태에서 이 박막의 두께는 약- 정도가 된다.

막을 따라 의 흐름이 생길 수 있을 정도로 충분히 두껍다- HeII .

의 열전도도는 아주 크다-HeII .

의 특정위치에 주위와 다른 온도변화를 주는 것은 불가능하다-HeII .

어떤 지점에 열을 가하면 열에너지가 순식간에 액체로 퍼지기 때문-

활발히 끓던 가 온도를- HeII 이하에서 갑자기 끓는 현상을 멈춘다.

이것도 가 가지는 무한대의 열전도도 때문에 생기는 현상이다- HeII .

반투막을 액체사이에 두어 두 영역의 의 온도 차이를 나게 한다- HeII .

반투막은 초유체는 통과시키고 보통유체는 통과시키지 않는 막-

가는 관 안에 가는 분말들을 채워- 초유체 반투막의 효과를 낸다.

초유체 반투막을 경계로 놓인 두 액체 중 한쪽에 열을 가하여 온도를-

높이면 두 액체사이에는 온도 및 압력의 차이가 유도된다.

이러한 압력의 차이 때문에 초유체가 이동하는 분수효과를 준다- .

압력의 차이는 가는 관을 따라 액체가 분수모양으로 뿜어 나올-

정도로(∼정도 충분히 크다) .

5. 증발냉동기

온도영역- ∼ 은 4 또는He 3 의 증기압을 조절하여 얻는다He .

증기압은 액체가 든 용기를 진공펌프로 펌핑함으로써 조절이 가능-

액체가 기체로 증발할 때 기화잠열을 주위로부터 빼앗아간다- .

단위시간당 냉동력은- 로 표현된다.

-와 은 각각 단위시간당 증발하는 몰(mole) 과 몰 당 증발잠열率

액체와 기체가 공존하는 상태에서- 증기압의 온도에 따른 변화는

관계식에서Clausius-Clapeyron

-는 증기압을 나타내고 은 기체상수이다.

낮은 온도에서는 ≈ 상수이므로 ∼

펌핑시킬 수 있는 기체의 양은 증기압에 비례-

펌핑속도는 온도가 내려감에 따라 지수적으로 감소-

외부 열손실이 펌핑에 의해 얻어지는 냉동력과 같게 되는 상태에서-

냉동기는 평형에 도달하며 이 조건에서 증발냉동기의 최저온도 결정,

액체- 4 와He 3 의 경우 최저온도는He (4 와He) (3He)

-3 에 의한 최저온도가He 4 에 의한 것보다 낮은 것은 전반적인He

온도영역에서 3 의 증기압이He 4 의 것보다 상대적으로 크기 때문He

희석냉동기6.

소량의- 3 가 초유체He 4 에 섞여 있을 때 독특한 현상을 나타낸다He .

-4 원자들은 양자역학적 기저상태에 존재하여 열운동은 완전히He

없어지고 엔트로피와 비열도, 3 원자에 비해 아주 적다He .

액체- 4 에 섞여있는He 3 원자들은 진공에서 움직이는 기체와 동일He

-3 의 구성비가 충분히 작아He 3 입자들 상호간의 작용도 무시할 수He

있을 정도일 때 3 입자들은 이상적인 기체 로 간주된다He “ Fermi ” .

년에 은-1951 H. London 3He-4 혼합액체를 사용하여 기체팽창과He

유사한 과정으로 온도를 내릴 수 있다는 제안을 하였다.

당시에는- 3He-4 혼합액체의 상분리 현상이 발견되지 않아서He

희석냉동기 제작에 대한 큰 흥미를 끌지는 못했다.

년 와 가 상분리 현상을 발견 온도-1956 Walters Fairbanks ( 0.7K)

상분리가 되면- 3He-4 희석액체 위에 순수액체He 3 가 떠있는 형상He

-3He-4 희석액체 쪽을 펌핑함으로써 위쪽의He 3 원자들이 진공 과He " "

같이 행동하는 희석액체 쪽으로 상경계를 넘어 증발 즉 팽창 하여( , )

주위의 온도를 내린다.

과 는 그들이 제작한 희석냉동기를-Hall(1966) Neganov(1966)

이용하여 각각 와 로 온도를 낮추는데 성공했다.

현재에는 상업적인 희석냉동기가 나오고 있고 온도도 기술발달로-

인해 로도 쉽게 내릴 수 있게 되었다.

희석냉동기의 주요부분-

혼합실 증류기 열교환기- (mixing chamber), (still), (heat exchanger)

상온에 있는 펌프에 의한- 3 의 펌핑 및 재투입되는 순환과정He

-4 증발기를 펌핑함으로써 증발기의 온도가He 정도로 내려간다.

-3He-4 혼합기체를 희석냉동기의He 혼합실에 액화시켜 넣는다.

액화시킬- 3 와He 4 기체의 량은He 열교환기나 혼합실 등의 체적을

이용하여 계산할 수 있다.

-3 와He 4 기체는 혼합실로 투입되기 전He 4 증발기에 의해 액화된다He .

-3 와He 4 가 혼합실에 투입된 후 진공펌프로 정류기를 펌핑하면He

증류기내의 3 기체가 증발되고 또한 혼합실의 온도도 내려간다He .

증류기의 압력이 충분히 낮아진 후 고진공 펌프로 대치하면 혼합실의-

온도가 가 되면 3He-4 혼합액체의 상분리 현상이 일어난다He .

이에 따라 혼합실의 온도가 갑자기 크게 내려간다- .

혼합실 내의- 3 원자들이 상경계를 지나 희석액체 쪽으로 증발될 때He

기화열을 주위로부터 빼앗아가서 큰 냉동력이 주어지기 때문

희석액체 쪽으로 증발된- 3 원자들은 삼투압에 의해 불완전한He

초유체 반투막인 미세한 관을 통과하여 정류기로 들어가서 펌핑된다.

정류기내의 액체 중에는 이하의- 1% 3 가 존재하나 그 증기에는He

3 기체가 대부분이다He .

펌핑에 의해 증류기내의- 3 기체는 쉽게 뽑아내어진다He .

펌핑된- 3 기체는 다시 혼합실로 재투입되는 순환과정을 거친다He .

혼합실에 재투입되는- 3 의 온도는 혼합실의 온도에 가까워야 한다He .

그렇지 않을 경우 재투입되는- 3 의 높은 온도 때문에 혼합실의He

온도가 급격히 올라가 냉동을 계속할 수 없게 된다.

이러한 목적을 위해 열교환기가 사용된다- .

열교환기는 펌핑에 의해 혼합실에서부터 올라오는 차가운 액체의-

냉동력을 이용하여 재투입되는 3 액체의 온도를 낮춘다He .

여러 개의 열교환기에 의해 재투입되는- 3 액체의 온도를 혼합실의He

온도가까이로 내릴 수 있다.

7. 소자화 냉동기

자기이온의 자기- 엔트로피를 이용하여 온도를 내리는 방법이 년1926

와 에 의해 제안Debye Giaque

자기모멘트에 관련된 엔트로피만 존재하는- 까지 온도를 내린 후

자화시킨 다음 단열적으로 소자화시켜 온도를 내릴 수 있다는 제안

년에 는 자기이온이 희박하게 섞인 상자성 소금 을-1933 Giaque “ ”

이용한 소자화냉동에 성공하여 온도영역에 도달하는데 성공

년 에 의해 전자의 자기모멘트 대신에 핵의 자기모멘트를-1934 Gorter

이용하면 더 낮은 온도를 얻을 수 있지 않을까 하는 제안이 대두

자기모멘트는 질량에 반비례하므로 전자질량보다 배 큰 핵을- 2,000

이용하면 온도영역까지 온도를 내릴 수 있을 것이라 기대되었다.

년-1956 가 처음으로 핵의 소자화 냉동에 성공Kurti

핵의 소자화 냉동을 시작하려면 핵의 자기모멘트에 관련된-

엔트로피만 존재하는 까지 온도를 내려야 한다.

년 희석냉동기에 의해-1965 영역까지 온도를 내릴 수 있게 되어

전자의 소자화냉동기의 역할은 없어지게 되었다.

-영역의 온도를 얻기 위해서는 핵의 소자화냉동이 유일한 방법

온도를 내리는 과정은 엔트로피를 감소시키는 과정-

엔트로피는 온도 및 다른 변수들 체적 자기장 압력 등에 의존한다- , , .

소자화 냉동과정은 두 가지의 과정으로 구성-

온도를 일정하게 유지하면서 엔트로피에 관련되는 변수 냉동변수 를- ( )

조절하여 엔트로피를 감소시키는 등온자화과정

엔트로피를 감소시키는데 사용한 외부요인을 엔트로피가 변하지-

않도록 단열적으로 없애는 단열 소자화과정

소자화 냉동에는- 자기모멘트에 관련된 엔트로피를 냉동변수로 사용

자기모멘트 이외의 다른 요인에 의한 엔트로피를 무시할 수 있는-

낮은 온도에서 냉동과정이 시작되어야 한다.

총 각운동량이- 인 개의 자유로운 자기쌍극자 집단

외부자장이 없을 때 쌍극자들은- 의 가능한 에너지 상태에 존재

계의 자기엔트로피는- ≡

자기장- 에서 쌍극자들은 자장 방향으로 정렬, 자기엔트로피는 감소

자기쌍극자들이 자장- 내에 있을 때 분배함수는

≠

-는 , 는 자기이온의 자기모멘트 또는 핵의 자기모멘트

엔트로피는-

의 관계식에서

엔트로피는 자기장과 온도의 비 즉- , 만의 함수이다.

온도- 에서 자기장 를 이용하여 자화

-까지 자기장을 단열적으로 감소

엔트로피가- 만의 함수이고 소자화과정이 단열적이어서,

엔트로피의 변화는 없으므로 의 관계에서 최종온도는

-를 으로 두면 최종온도는 절대영도가 된다0 .

실제로는 외부자기장이 없더라도 쌍극자 상호간의 작용 등에 의해-

물체 내부에는 내부자기장이 이미 형성되어 있다.

자기쌍극자가 보는 국소자기장은 외부자기장과 내부자기장의 벡터 합-

이므로 그 크기는 이다.

따라서 최종온도- 는

최저온도는 자기장을 완전히 없애는 경우로서- ≈

분모의- 은 자화자기장 에 비해 아주 작으므로 무시

엔트로피 온도 그래프- -

외부자기장이 없을 때 엔트로피는- 로 상수 값

실제로 내부자장이 존재하기 때문에 온도에 따라 변한다- ( 곡선).

외부자장이 걸렸을 경우 엔트로피는- 보다 모든 온도에서 낮다.

외부자기장이 커질수록 엔트로피 곡선은 더욱 낮아진다- .

자기모멘트 이외에 의한 엔트로피가 없는 온도에서 냉동과정이 시작-

냉동과정의 시작온도인- 는 상자성소금의 경우 대략 이고

핵의 소자화의 경우 정도이다.

온도를 일정하게 유지하면서 자기장- 을 외부에서 걸어준다.

외부자기장에 의해 자기쌍극자들이 정렬되어 자화된다- .

자화하는 동안 발생하는 열은 냉동물질에 연결된 전조냉동기로-

전달되어 자화는 등온상태에서 진행된다.

등온자화과정- (→ 에 의해 계의 엔트로피는 상당히 줄어든다) .

단열소자화 과정- (→ 은 냉동물질과 외부를 열적으로 차단시킨 후)

외부자기장을 없애는 과정이다.

엔트로피의 변화는 없으므로 계의 온도가- 로 내려간다.

이 후 열유입에 의해 온도는 점차적으로 증가한다- .

그림에서- 의 곡선을 따라 (→ 온도가 증가한다) .

냉동기의 냉동력은 온도가 증가하는 동안 흡수할 수 있는 열량-

냉동력은 그림에서 청색부분을 나타낸다 면적- ( CDFA).

최종온도는 높더라도 냉동력이 큰 경우를 원한다면 자기장을 완전히-

없애지 않고 이 아닌 값인0 까지만 내리면 된다(→′).

최종온도는- 보다 높은 ′이지만 냉동력은 면적 가 되어C'DFAX'

완전히 소자화시킨 경우의 냉동력인 면적 보다 크다CDFA .

낮은 최종온도를 얻으려면 자화과정에서 엔트로피를 많이 감소-

자화과정에서 더욱 센 자기장을 사용하여야 한다는 것을 의미-

전자의 소자화냉동의 경우- 핵의 소자화냉동의 경우, ∼

소자화냉동기의 개략적인 구조-

전조냉동기는 자기모멘트에 관련된 엔트로피만 존재하는 온도로 내림-

냉동물질이 자화될 때 발생하는- 자화열도 전조냉동기가 흡수

자화가 등온인 상태에서 이루어지도록 해 주는 역할을 한다- .

열스윗치는 전조냉동기와 냉동물질사이의 열적인 접촉을 시키거나-

또는 차단하는데 사용한다.

열스윗치로는 초전도체선이 많이 이용된다- .

초전도상태를 임계자기장이상을 걸어줌으로써 도체상태로 바꾼다- .

도체상태에서는 전도전자에 의해 열이 전달된다 상태 자화과정- (on , ).

초전도상태에서는 열이 전달되지 않는다 상태 단열소자화 과정- (off , ).

전자의 소자화냉동에는 자기이온이 희박하게 섞인 상자성소금을 이용-

핵의 소자화냉동애는 주로 구리를 사용 그 외 금 은- . , ,

극저온의 온도측정8.

온도측정의 기본 원리는 온도에 따라 변하는 물리량을 측정하는 것-

원리적으로 온도에 따라 변하는 물리량은 모두 온도측정에 이용가능-

물리량이 온도에 따라 너무 작게 변하거나 또는 너무 크게 변하면-

실제적으로 온도측정에 이용할 수 없다.

전자장비가 측정할 수 없을 정도로 범위가 좁거나 또는 넓기 때문-

일차온도계 는- (primary thermometer) 측정된 물리량을 물리법칙에

대입하면 바로 온도가 계산되어져 나오는 경우

증기압을 재는 온도계 저항의 잡음을 재는 온도계- ,

이차온도계 는 측정하는 물리량은 온도에- (secondary thermometer)

따라 규칙적으로 변하나 명백한 물리법칙에 연관된 간단한 식으로

표시할 수 없는 경우

(1) 저항온도계

-0.01이상의 온도를 측정할 때 저항온도계가 많이 이용된다.

저항온도계는 도체나 반도체의 전기저항이 온도에 따라 변한다는-

사실을 온도측정에 이용한 것이다.

저항온도계는 온도측정 영역이 넓고 재현성 이- (reproducibility)

좋으면서도 측정이 용이하다.

항온도계는 크기 또한 트랜지스터 정도로 아주 작아서 공간을-

크게 차지하지도 않는다.

상용으로 나와 있는 것 중- 0.001까지 측정 가능한 것도 있다.

저항온도계용으로는 도체 반도체 및 합금 등이 사용되고 있다- , .

도체 내 자유전자들이 격자와의 충돌에 의해 생기는 저항은 온도에-

직선적인 관계를 나타낸다.

-10이하에서는 격자의 운동이 활발하지 않아서 격자와의 충돌에

의해 생기는 저항보다 불순물에 의한 저항이 더 중요해진다.

-10이하에서 저항은 불순물에 의해서만 생긴다.

불순물의 수는 온도에 따라 변하지 않으므로- 10이하에서의 저항은

온도에 무관하게 일정하다.

-10이하에서는 도체의 저항측정을 통해서 온도를 결정할 수 없다.

도체에 자기불순물을 넣으면 더 낮은 온도에서도 사용이 가능하다- .

전자가 자기 불순물과 충돌에 의한 저항이 온도에 따라 변하기 때문-

반도체에서 저항이 온도에 따라 변하는 양상은 도체에서와는 다르다- .

고의로 불순물을 넣은 반도체를 온도계에 사용한다- .

반도체의 저항은 온도가 내려감에 따라 커진다- .

도체에서 전류가 흐르는 것은 자유전자가 이동하기 때문이다- .

반도체에는 고의로 넣은 불순물들이 이온으로 변하면 그 곳으로-

전자가 이동할 수 있기 때문에 전류가 흐를 수 있다.

불순물이 이온으로 되는 것은 온도가 낮은 경우 잘 되지 않는다- .

반도체에서의 저항은 낮은 온도로 갈수록 커지게 된다- .

-10이하에서 저항은 온도가 내려감에 따라 지수적으로 증가한다.

반도체 저항온도계는- 10이하에서의 온도측정용으로 아주 적합하다.

저항이 너무 커지는 영역에는 더 이상 온도계로 사용할 수 없는데-

이 온도는 대체로 0.03정도이다.

게르마늄 저항온도계와 탄소저항온도계가 가장 많이 사용- (Ge)

게르마늄에 비소 를 불순물로 섞어 만든 반도체물질을 사용한다- (As) .

탄소저항온도계에서는 탄소를 사용한다- .

탄소는 반도체가 아니고 도체이다- .

가는 입자의 탄소를 접착제를 넣어 눌러 원하는 모양으로 만들고-

열처리를 하면 반도체에 가까운 성질을 띠게 된다.

탄소저항온도계는 게르마늄 저항온도계에 비해 정확도가 떨어지지만-

가격이 아주 싸기 때문에 많이 사용되고 있다.

탄소저항온도계의 저항은 극저온에서 급격히 올라가므로 온도를-

정확히 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다.

탄소저항온도계는 저항특성이 온도계를 만드는 과정에 따라 달라서-

균일한 제품을 만들기 힘들다.

극저온에서 상온으로 올라온 후 다시 극저온에 사용할 경우-

전번과 틀리는 온도특성을 줄 수도 있다.

(2) 자기온도계

외부에서 자기장을 걸어 자기쌍극자들을 정렬시키고 온도에 따라- ,

정렬상태가 어떻게 변하는가를 보는 것이다.

온도가 낮을수록 자장 방향으로 정렬하는 쌍극자들의 수가 많아진다- .

온도가 낮아질수록 자기장 방향으로 정렬되는 쌍극자들의 수가-

많아지므로 낮은 온도에서는 자화도가 크다.

온도가 높아지면 온도에 따른 열에너지에 의해 쌍극자들의 방향이-

흐트러지므로 자화도는 작아진다.

자화도는 온도에 반비례한다- .

자화도의 온도에 따른 변화를 측정함으로써 온도를 결정할 수 있다- .

자기온도계에는 전자 자기온도계와 핵 자기온도계로 나누어진다- .

전자 자기온도계의 측정영역은- 영역, 핵자기온도계는 영역

전자 자기온도계의 센서물질로는 상자성소금을 많이 이용한다- .

상자성소금은 부도체이므로 전류를 흐르게 하는 자유전자가 없다- .

상자성소금을 이용한 온도계의 경우 온도평형에 오랜 시간이 걸린다- .

온도계는 변하는 온도를 빠르게 측정할 수 있어야 한다- .

상자성소금을 센서물질로 이용할 때 늦은 반응 속도가 큰 장애-

상자성소금에 금으로 된 선 들이나 구리선 등 금속들을 넣는다- (wire) .

를- SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)

이용한 측정 장치 전자 자기온도계( ).

현재- 영역의 온도를 재는 온도계는 핵 자기온도계뿐이다.

핵자석의 자기모멘트가 작으므로 정렬시키는데 센 자기장이 필요-

신호가 작으므로 좀 더 복잡한 전자장비도 필요하다- .

온도의 측정방법은 외부자기장을 항상 켜 둔 상태에서 순간적으로-

라디오파 펄스를 주고 난 후 핵자석들의 행동을 관찰한다.

핵자기공명에서 사용하는 방법과 동일하다- .

핵 자석온도계의 센서물질로는 플레티늄 을 많이 사용하고 있다- (Pt) .

플레티늄은 순도가 높은 것을 쉽게 구할 수 있고 신호가 크기 때문- ,