液体窒素についての質問

Question

今日授業で液体窒素を使っての授業をしたとき疑問に思ったことがあります。

・液体窒素はどうやって作るのか

・液体窒素は－200℃ぐらいと言われているが
その－200℃は日常の温度計では当然測れないがどのような温度計を使って測っているのか？

・ソフトテニスボールや葉は液体窒素につけたら割れたり粉々になったけど
紙や木は割れたり粉々にならなかったのはなぜか？
なぜ物質によってこのような変化があり、どのような物質が割れないのか？

などです。
ふと思ったことなんで暇なときに回答おねがいします。

Ichitsubo · Accepted Answer

授業をされる方が背景をご存じないというのは、予習不足かと思いますが。
ことに液体窒素など、ごくありふれたものに対して……

・作り方
空気を冷やして作ります。空気のうち78％は窒素ですから。21％の酸素などを取り除く必要がありますけれど。

・温度
白金抵抗温度計など、極低温でも使用可能な温度計があります。
http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/ubung/yyosuke/uebung/thermometer1.htm

液体窒素は-200℃というのは「間違い」です。

窒素の沸点は-196℃です。
(そう言う名前のチューハイにピンと来れば、製法も何となく想像つく)
液体窒素を汲んでおくと、室温はもちろん-196℃よりは遙かに高温ですから、すぐに沸騰が始まります。
沸騰中の温度は、沸点で一定温度となります。
ということで、液体窒素で冷やすことで得られる温度は-196℃(-200℃)と言えます。
液体窒素そのものが-200℃というのは、水は100℃だと言うのと同じ間違いです。

・割れるかどうか
ソフトテニスボールはゴムで、ある温度以下でガラス化します。
この温度をガラス転移点といいます。また、ガラス転移点以上ではゴム状態となります。

htms42 · Answer

＞・作り方・・・空気を冷やして作ります。
＞・温度　・・・白金抵抗温度計など、極低温でも使用可能な温度計があります。

確かにそうですが冷やすための低温をどうやって作るのかが次の疑問として出てきますね。生徒に聞かれると立ち往生です。

冷蔵庫でかなりの低温を作っているようですが－２００℃という温度が同じ仕組みで作れるのだろうかと考え込んでしまいます。
ましてやヘリウム温度となると・・・。
ヘリウムの液化に成功したのはもう１００年程前のことです。ということはそれまでに４Ｋ付近まで冷やすことが出来る技術と温度測定の技術があったということです。この低温をどうやって作ったのか、その温度をどうやって測ったのか、説明できる人は少ないでしょう。
「断熱膨張」を使う、「ジュールトムソン効果」を使う、「断熱消磁」を使うとか色々出てきますが難しいです。私はいつまでたっても「ジュール・トムソン効果」がよく分かりません。「断熱膨張」による温度降下は理想気体でも起こりますが「ジュール・トムソン効果」による温度降下は理想気体では起こりません。でも液体空気を作る時には「ジュールトムソン効果」を使うと書いてあります。ちょっと考えると理想気体、非理想気体を問わずに起こる効果の方が非理想気体だけで起こる効果よりも大きいではないかと思ってしまいます。
「断熱消磁」は熱力学だけでは理解しにくいです。統計力学の知識が必要です。

こうやって低温が出来たとします。
その温度が何度であるかはどうして分かるのでしょう。
電気抵抗が温度によって変わるという性質を使うのでしょうが温度と抵抗値の対応表はどうやって作るのでしょうか。
温度が分からなければ抵抗の温度依存性は分からない、温度は抵抗の温度変化で測る、・・・。
こんなことを言えば生徒でなくても「？？？？？」となリます。

０Ｋで０Ωになるように常温付近の値を延長するのでしょうか。
もっとはっきりとした理論がなければ曖昧さがかなり出てきます。

統計力学的な計算はあっただろうとは思いますが量子力学の体系のできる前の話です。

私も高校の教師でしたがよく分からないままでした。

Ｈｅの液化に成功した（１９０８年）のも、その温度を利用して電気抵抗の温度変化を測定していて超伝導を見つけた（１９１１年）のもカマリング・オネスです。彼の論文にある電気抵抗の温度変化のグラフにはきちんと温度目盛が書き込まれています。
温度の測定技術は確立していたということになります。

液体窒素についての質問

＞・作り方・・・空気を冷やして作ります。

授業をされる方が背景をご存じないというのは、予習不足かと思いますが。

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