La criogenia se define como el estudio científico de los materiales y su comportamiento a temperaturas extremadamente bajas. La palabra proviene del griego crio, que significa "frío", y genic, que significa "producir". El término se encuentra generalmente en el contexto de la física, la ciencia de los materiales y la medicina. A los científicos que estudian la criogenia se les llama criogenista. Un material criogénico puede denominarse un criógeno. Aunque las temperaturas frías se pueden informar utilizando cualquier escala de temperatura, las escalas Kelvin y Rankine son las más comunes porque son escalas absolutas que tienen números positivos.
Exactamente qué tan fría debe ser una sustancia para ser considerada "criogénica" es un tema de debate por parte de la comunidad científica. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos (NIST) considera que la criogenia incluye temperaturas inferiores a -180 ° C (93,15 K; -292,00 ° F), que es una temperatura por encima de la cual los refrigerantes comunes (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, freón) son gases y por debajo de la cual los "gases permanentes" (por ejemplo, aire, nitrógeno, oxígeno, neón, hidrógeno, helio) son líquidos. También hay un campo de estudio llamado "criogenia a alta temperatura", que involucra temperaturas por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido a presión ordinaria (-195.79 °C (77.36 K; -320.42 °F), hasta -50 °C (223.15 K; -58.00 °F).
La medición de la temperatura de los criógenos requiere sensores especiales. Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) se utilizan para tomar mediciones de temperatura tan bajas como 30 K. Por debajo de 30 K, a menudo se utilizan diodos de silicio. Los detectores criogénicos de partículas son sensores que funcionan unos pocos grados por encima del cero absoluto y se utilizan para detectar fotones y partículas elementales.
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Los líquidos criogénicos se almacenan típicamente en dispositivos llamados matraces Dewar. Estos son recipientes de doble pared que tienen un vacío entre las paredes para aislamiento. Los matraces dewar destinados a su uso con líquidos extremadamente fríos (por ejemplo, helio líquido) tienen un recipiente aislante adicional lleno de nitrógeno líquido. Los frascos Dewar llevan el nombre de su inventor, James Dewar. Los matraces permiten que el gas escape del recipiente para evitar que hierva la acumulación de presión que podría provocar una explosión.
Fluidos Criogénicos
Los siguientes fluidos se utilizan con mayor frecuencia en criogenia:
Lectura relacionada:Reacción de Cambio de Color Oscilante de Briggs-RauscherFluido | Punto de ebullición (K) |
Helio-3 | 3.19 |
Helio-4 | 4.214 |
Hidrógeno | 20.27 |
Neón | 27.09 |
Nitrógeno | 77.36 |
Aire | 78.8 |
Flúor | 85.24 |
Argón | 87.24 |
Oxígeno | 90.18 |
Metano | 111.7 |
Usos de la Criogenia
Existen varias aplicaciones de la criogenia. Se utiliza para producir combustibles criogénicos para cohetes, incluidos hidrógeno líquido y oxígeno líquido (LOX). Los fuertes campos electromagnéticos necesarios para la resonancia magnética nuclear (RMN) generalmente se producen mediante electroimanes de sobreenfriamiento con criógenos. La resonancia magnética nuclear (RMN) es una aplicación de RMN que utiliza helio líquido. Las cámaras infrarrojas requieren con frecuencia refrigeración criogénica. La congelación criogénica de alimentos se utiliza para transportar o almacenar grandes cantidades de alimentos. El nitrógeno líquido se utiliza para producir niebla para efectos especiales e incluso cócteles y alimentos especiales. La congelación de materiales con criógenos puede hacerlos lo suficientemente frágiles como para romperlos en pedazos pequeños para reciclarlos. Las temperaturas criogénicas se utilizan para almacenar muestras de tejido y sangre y para conservar muestras experimentales. El enfriamiento criogénico de superconductores puede usarse para aumentar la transmisión de energía eléctrica para grandes ciudades. El procesamiento criogénico se usa como parte de algunos tratamientos de aleaciones y para facilitar reacciones químicas a baja temperatura(por ejemplo, para fabricar fármacos de estatinas). La criomolienda se utiliza para moler materiales que pueden ser demasiado blandos o elásticos para ser molidos a temperaturas normales. El enfriamiento de moléculas (hasta cientos de Nanokelvins) puede usarse para formar estados exóticos de materia. El Laboratorio de Átomos Fríos (CAL) es un instrumento diseñado para su uso en microgravedad para formar condensados de Bose Einstein (alrededor de 1 pico Kelvin de temperatura) y probar las leyes de la mecánica cuántica y otros principios de la física.
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Disciplinas Criogénicas
La criogenia es un campo amplio que abarca varias disciplinas, que incluyen:
Criónica - La criónica es la criopreservación de animales y humanos con el objetivo de revivirlos en el futuro.
Criocirugía - Esta es una rama de la cirugía en la que se utilizan temperaturas criogénicas para matar tejidos no deseados o malignos, como células cancerosas o lunares.
Crioelectrónicos-Este es el estudio de la superconductividad, el salto de rango variable y otros fenómenos electrónicos a baja temperatura. La aplicación práctica de la crioelectrónica se llama criotrónica.
Criobiología - Este es el estudio de los efectos de las bajas temperaturas en los organismos, incluida la preservación de organismos, tejidos y material genético utilizando criopreservación.
Dato Divertido de la Criogenia
Si bien la criogenia generalmente implica una temperatura por debajo del punto de congelación del nitrógeno líquido pero por encima del cero absoluto, los investigadores han alcanzado temperaturas por debajo del cero absoluto (las llamadas temperaturas Kelvin negativas). En 2013, Ulrich Schneider, de la Universidad de Munich (Alemania), enfrió el gas por debajo del cero absoluto, lo que, según los informes, lo hizo más caliente en lugar de más frío.
Fuentes
- Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013)"Temperatura absoluta Negativa para Grados de Libertad Mocionales". Ciencia 339, 52–55.
- Gantz, Carroll (2015). Refrigeración: Una historia. Jefferson, Carolina del Norte: McFarland &Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
- Nash, J. M. (1991) "Dispositivos de Expansión de Vórtices para Criogenia de Alta Temperatura". Proc. de la 26a Conferencia de Ingeniería de Conversión de Energía Intersociedad, Vol. 4, pp. 521-525.