헬륨의 극저온 응용을 사용할 수 있는 4가지 방법

헬륨은 냉각부터 비행선의 양력 제공까지 다양한 목적에 유용하게 사용되는 특성을 지닌 가스입니다. 극저온 원리의 기본을 이해함으로써 우리는 이 가스의 작동 방식과 다양한 용도를 이해할 수 있습니다.

극저온 과학의 측면은 19세기 초 패러데이와 줄(Joule)의 실험에서 나타났습니다. 극저온은 일반적으로 -150°C 미만의 매우 낮은 온도에 물질을 노출시키는 것과 관련됩니다.

액체 질소나 액체 헬륨과 같은 극저온 액체를 사용하면 고온 공정과 관련된 화재 위험을 걱정할 필요 없이 극한의 온도에 안전하게 도달할 수 있습니다. 이러한 물질은 추운 환경과 관련된 모든 프로젝트에서 작업할 때 필수적인 역할을 합니다.

헬륨은 극저온 공정에 사용할 수 있는 다양한 특성을 가지고 있습니다. 끓는점은 대부분의 다른 원소보다 낮기 때문에 매우 낮은 온도를 빠르고 효율적으로 달성하는 데 적합합니다.

이 공정은 또한 무독성 특성으로 인해 안전합니다. 수많은 산업이 헬륨의 극저온 원리와 응용에 더 많이 의존하고 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

극저온학(Cryogenics)은 극도로 낮은 온도에서 재료의 생산과 거동을 다룹니다. 헬륨과 같은 극저온 액체의 온도 범위는 -271.15°C ~ -196°C입니다. 극저온 응용 분야에서는 이러한 저온 환경에서 강도 증가, 전기 전도성 향상, 단열 강화와 같은 특성을 활용합니다.

극저온 기술의 기본 원리에는 냉각 속도 제어가 포함됩니다. 이는 원하는 온도 범위를 달성하기 위해 끓는점과 증발 속도를 활용하여 수행됩니다. 어떤 경우에는 기계적 냉매나 심지어 액체 질소를 사용하여 물질을 영하의 온도로 빠르게 냉각시키는 작업도 포함됩니다. 환경을 조작함으로써 물질의 물리적 상태를 고체에서 액체로 바꾸지 않고도 실온 이하로 냉각할 수 있습니다.

그러나 극한의 추운 조건에 노출되었을 때 모든 재료가 동일하게 반응하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 헬륨은 냉각 정도에 관계없이 기체로 남아 있는 반면, 물은 0°C에서 얼음으로 변합니다. 다양한 온도에서 각 재료의 고유한 특성을 이해하면 과학자들은 특정 극저온 응용 분야에 가장 적합한 물질을 결정하는 데 도움이 됩니다.

헬륨은 두 가지 자연 발생 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4를 갖는 원소입니다. 헬륨-4는 이 두 동위원소 중 가장 풍부하며 지구상의 모든 천연 헬륨 원자의 약 99.9%를 차지합니다.

이는 극저온 응용 분야에서 매우 귀중한 여러 가지 고유한 특성을 가지고 있습니다.

절대 영도(-273°C)에 가까운 온도로 냉각되면 액체 헬륨은 점도가 0으로 떨어지는 상태인 초유동성을 나타내며 저항 없이 흐를 수 있습니다. 이 특성은 액체 헬륨에 담긴 작은 물체가 일반 중력 조건에서보다 더 빠르게 움직일 수 있게 하여 과학 연구 목적에 유용하게 만듭니다.

또한 응축 온도가 낮기 때문에 헬륨은 극저온 및 반도체 제조와 같은 특정 산업 공정의 압력 감소에 이상적입니다.

헬륨의 다른 주요 특성은 다음과 같습니다.

헬륨은 항공우주, 원자력 발전, 의료 영상, 전자 제품 생산 등 다양한 산업과 분야에서 중요한 역할을 합니다. 극한의 온도와 압력에서 다양한 요소가 어떻게 행동하는지 이해하면 과학자들은 우주를 지배하는 기본 물리 법칙을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 우리는 물질 자체의 본질에 대한 비밀을 밝히는 데 더 가까워졌습니다.

극저온은 헬륨을 냉각제로 사용하여 달성됩니다. 이렇게 극도로 낮은 온도를 유지하려면 극저온 시스템을 밀봉하고 외부 열원으로부터 절연해야 합니다. 이를 통해 서로 다른 구성 요소 간에 에너지 교환을 허용하면서 안정적인 온도를 유지할 수 있습니다.