俗话讲“三九四九不出手”，大寒这个节气便处在“四九”，是一年中最冷的时候。近几天，祖国最北端漠河的最低气温达到了-44℃。当然这并不是最低气温，在2009年，内蒙古根河曾出现过-58 ℃的极端天气，而地球上有记录的最低自然温度为在热带风暴云中观测到的-111.2℃。上述“低温”看上去都会令人感觉到阵阵寒意，不过在制冷与低温工程学领域，这可远不够“低温”——其分界温度为120 K，也就是-153.15℃。

今天是大寒节气，北京制冷学会带大家了解“更COOL的温度”。

温度的上限——普朗克温度（1.4*10^32K，1.4亿亿亿亿℃）或许还有争议，但温度的下限——绝对零度（0K，-273.15℃）不可达到，则是现有理论体系的共识。人造的最高温度已超过10^13K，人造最低温度已达到10^-12K量级（-273.149999999999℃）。不过若以偏离地球环境温度（约300K）的做功能力比较，根据卡诺定理，这个极低温比极高温还要强（虽然非常接近）。因此，温度不能只看大小，还要看与环境温度的偏离程度。也由此可见，做低温也是相当不容易滴。

上述极低温环境的营造多用于基础物理研究，但其实低温在日常生活和工业生产领域也有着广泛应用。

图 低温的相关应用

首先就是在低温“门槛”附近的两大应用——天然气液化和低温冰箱。液化天然气（LNG，约-160℃）极大提高了储运密度（约600倍），促进了天然气的使用，我国也成为全球第一大LNG进口国，所以当你使用天然气烧菜时，不要忘记其上一个形态可能就是飘洋过海而来的LNG。低温冰箱也与我们生活息息相关，干细胞、组织等生物样本的长期保存需要-150℃以下的低温环境，因为低温可有效抑制细胞微生物组织的生化反应，其原理已由百年前的Arrhenius方程给出。在此温区，主流的制冷方法是混合工质节流制冷和阶式级联制冷。

温度再低一点，便是大型空气分离的应用，空气分离最常用的方法是低温分离法，以空气或氮气膨胀制冷，利用空气中各组分物理性质的不同，可制得氮气（沸点约-196℃）、氧气（沸点约-183℃）与稀有气体。液氮的廉价获取，又催生了更多的应用，比如低温手术、低温冷疗（把人在低温“冰箱”里冻一冻）、材料深冷处理、超导输电。值得一提的是，天然气液化和空气分离是低温领域最大的两项应用，保守估计其折算电能耗超过全球用电量的2%以上。

氢气和氦气的液化是低温的另外两个重要用途。其制冷方式已由最初的节流制冷发展到如今更为高效的氢气和氦气的膨胀制冷。氢气液化（约-253℃）首先在1898年英国剑桥大学实现。如今，随着航空航天（液氢推进剂）、半导体（超纯氢）等领域的推动，液氢技术已得到长足进步。曾被认为“永久气体”的氦气于1908年被Onnes首次液化（约-269℃），1911年他又发现超导现象。此后，对超导和液氦的相关研究成为热点，目前已获得了约10项诺贝尔物理学奖，要知道1901年以来，整个低温领域“才”获得30项左右诺奖！

近些年来，随着量子计算的兴起，能够实现<1K温度的极低温制冷技术也引起高度重视，不像前述低温的获得，存在多种制冷技术，在<1K温区，目前主要仅有3种，分别是吸附制冷、稀释制冷和绝热去磁制冷，其中吸附制冷的主要温区在300mK左右，而稀释制冷和常规绝热去磁制冷可以获得mK级的低温，核绝热去磁制冷甚至可以到μK级。不过单一制冷方式很难实现大温区制冷，尤其是极低温制冷，必须采用其他制冷方式提供前级预冷，就好比一场接力赛，目前极低温制冷技术通常需要2~4种不同的制冷方式接力。

低温制冷技术为其他相关学科的发展提供了重要的技术支持，新的物理现象发现可能又会产生新的低温制冷方式。随着对低温学的深入研究，相信会有更多的物理现象和原理被揭示，并基于此产生更加节能、可靠的低温制冷方法，衍生出更多新的应用。但别忘了，没有最COOL，只有更COOL！

撰文：中国科学院理化技术研究所副研究员赵延兴（北京市科协2022-2024年度青年人才托举工程被托举人）

审核：公茂琼

编辑：王晓童