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Bei der Tieftemperaturphysik werden Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen eingesetzt. Die Obergrenze für Tieftemperaturen ist nicht einheitlich festgelegt. Das National Institute of Standards and Technology der Vereinigten Staaten hat vorgeschlagen, daß der Begriff Tieftemperatur für Temperaturen unter -150 °C (123 Kelvin) angewendet werden sollte. Einige Wissenschaftler jedoch, betrachten den Siedepunkt von Sauerstoff als Obergrenze (-183 °C).
Tieftemperaturen werden entweder durch die schnelle Verdampfung von Flüssigkeiten, oder durch die Entspannung von Gasen erzielt.
Die britischen Chemiker Humphry Davy und Michael Faraday ebneten in der Zeit von 1823 - 1845 den Weg für die Entwicklung der Kältetechnik. Davy und Faraday erzeugten Gase in einer Röhre, wobei das Ende der Röhre in einer Salz-Eis-Mischung gekühlt wurde. Durch das Zusammenwirken von verringerter Temperatur und erhöhtem Druck verflüssigte sich das entstandene Gas. Als die Röhre nun geöffnet wurde, verdampfte die Flüssigkeit sehr schnell und kühlte auf ihren Siedepunkt ab. Anschließend ließ Faraday mit Äther vermischtes Kohlendioxid bei niedrigem Druck verdampfen.
Dadurch gelang es ihm schließlich, eine Temperatur von ca. -110°C zu erreichen.
Bei Tieftemperaturen verhalten sich viele Stoffe anders als unter normalen Bedingungen, z.B. wird Quecksilber fest und Gummi so spröde wie Glas. Außerdem sinkt der elektrische Widerstand von vielen Metallen auf Null, d.h. sie werden supraleitfähig. Supraleiter haben die Möglichkeit Strom zu speichern.
Zu den vielen wichtigen industriellen Anwendungen der Kältetechnik gehört die Großproduktion von Sauerstoff und Stickstoff. Sauerstoff kann z.B. in Raketentriebwerken, für Schneid- und Schweißbrenner und für das Betreiben von Hochöfen eingesetzt werden. Stickstoff dient zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel und zur Zubereitung von Tiefkühlkost, indem es diese schnell genug abkühlt, damit kein Zellgewebe zerstört wird. Mit der Kältetechnik wurde auch der Transport von verflüssigtem Erdgas möglich. Tieftemperaturtechniken werden auch bei Infrarotgeräten und Lasern angewendet.
Zur Behandlung der Parkinson-Krankheit wird die Tieftemperaturchirurgie eingesetzt. Dabei wird Gewebe mit Hilfe einer Tieftemperatursonde eingefroren. Auch bei der Entwicklung von Gebärmutterhalskrebs und Hirntumoren wird eine ähnliche Technik verwendet.
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