冷やし方のいろいろ

質問

物を冷却する方法には
１．エアコンや冷蔵庫のように気化熱を利用するもの
２．ペルチェ素子等を使う電子冷却
３．化学反応（氷に塩を振ると冷えるのもこれになるのかな）
等があると思いますが、ほかに手段があるのでしょうか。
ボルテックスチューブ？なるものを使って冷やす方法があるというのを聞いたことがありますがどんな物でどんな原理なんでしょうか。
とにかく冷やし方のいろいろを教えて下さい。

回答No.6

siegmund

いやあ，面白そう．
私も参加させてください．

ものを冷やすというのはなかなか大変で，
大昔は夏の氷は貴重品だったですよね．
枕草子にも，貴(あ)てなるものとして
「削り氷にあまづら入れて・・・・」なんて書いてあります．

脱線はやめて，
あるものをもっと温度の低いものに接触させれば冷えますから，
stomachman さん言われるように，
どうやって温度の低いものを作るかですよね．

既にいろいろあがっていますので，補足と追加を

○ 放射．
これは stomachman さんに付け加えることはないようです．
Sky radiator なんて，私知らなかったです．

○ 断熱膨張(stomachman さん，myeyesonly さん)
気体膨張のさせ方にちょっとポイントがあります．
圧力差が生じないようになるべくゆっくり膨張させるのを，
準静的断熱膨張といいます．
これは必ず冷えます．
一方，圧力差のあるところに吹き出させる(高圧ボンベから空気中へ，など)
の類(本当はもちょっと制限があるけど)を
ジュール・トムソン膨張と呼んでいます．
理想気体ですと，この膨張では温度変化がないことが知られています．
実際の気体では，逆転温度と呼ばれる温度がありまして，
その温度以上からジュール・トムソン膨張を開始すると温度が上がってしまいます．
逆転温度以下から始めれば温度は下がります．
空気，酸素，窒素，二酸化炭素などでは常温常圧で温度降下がおこります．
水素の逆転温度は－80℃，ヘリウムでは－173℃．

○ 氷に塩を混ぜる(morion2 さん，stomachman さん)
塩化ナトリウムだと，-21℃，塩化カルシウムだと -55℃．
ついでに，エチルアルコール＋ドライアイスで -72℃．

○ 塩が水に溶けるとき，吸熱するものを使う手もあります(ふつうは発熱)．
代表的なものは，硝酸アンモニウム．
たたくと冷たくなる冷却パックはこの応用です．

○ 断熱消磁(myeyesonly さん)
熱力学的には断熱膨張と同じ理屈です．
圧力の変化が磁場の変化に対応しています．
常温でも冷えますが，常温で用いるメリットはないでしょう．
銅の核スピンを使った冷却ではμK (10^{-6} K) の
オーダーまで冷えます．
世界最低温の記録は，この手法で作られました．
(K は絶対温度)．

○ 液化気体を真空ポンプで減圧すれば常圧の場合より冷えます．
液体窒素は常圧で 77K ですが，ポンプで引くと 63K 位まで冷えます．

○ He3－He4 希釈冷凍
液体 He3 を液体 He4 に混ぜると温度が下がるという効果があって，
それを利用したものです．
mK オーダーの実験に使われます．

○ ポメランチュック冷却
ふつうは液体に圧力をかけて固体にすると，発熱します．
ところが，He3 ではある温度領域で，液体 He3 に圧力をかけて
固体にすると吸熱します．
これを使った冷却で，mK オーダーの手段．
最近は希釈冷凍に押され気味のようです．

○ レーザー冷却
レーザーなんか当てたら温度が上がりそうな気がしますよね．
原子の共鳴周波数より少し低い周波数のレーザーを当てて，
ドップラー効果の応用で原子の運動エネルギーを吸収しようというものです．
1997 年のノーベル賞受賞の仕事です．
最近，レーザー冷却を使って，
アルカリ原子のボーズ・アインシュタイン凝縮が観測されています．