SlideShare ist ein Scribd-Unternehmen logo
1 von 169
Downloaden Sie, um offline zu lesen
 CRYOGENICS   
3
Module I
INTRODUCTION TO CRYOGENIC SYSTEMS
1.1. Introduction 
The word cryogenics means, literally, the production of icy cold; however, 
the  term  is  used  today  as  a  synonym  for  low  temperatures.  The  point  on  the 
temperature scale at which refrigeration in the ordinary sense of the term ends and 
cryogenics  begins  is  not  sharply  defined.  The  workers  at  the  National  Bureau  of 
Standards at Boulder, Colorado, have chosen to consider the field of cryogenics as 
that  involving  temperatures  below  ­150°C  (123  K)  or  ­  240°F  (2200
R).  This  is  a 
logical dividing line, because the normal boiling points of the so­called permanent 
gases, such as helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, and air, lie below ­ 150°C, 
while  the  Freon  refrigerants,  hydrogen  sulfide,  ammonia,  and  other  conventional 
refrigerants all boil at temperatures above ­150°C. The position and range of the field 
of cryogenics are illustrated on a logarithmic thermometer scale in Fig. 1.1. 
In the field of cryogenic engineering, one is concerned with developing and 
improving low­temperature techniques, processes, and equipment. As contrasted to 
low­temperature  physics,  cryogenic  engineering  primarily  involves  the  practical 
utilization of low­temperature phenomena, rather than basic research, although the 
dividing line between the two fields is not always clear­cut. The engineer should be 
familiar with physical phenomena in order to know How to utilize them effectively; 
the  physicist  should  be  familiar  with  engineering  principles  in  order  to  design 
experiments and apparatus. 
A system may be defined as a collection of components united by definite 
interactions  or  interdependencies  to  perform  a  definite  function.  Examples  of 
common engineering systems include the automobile, a petroleum refinery, and an 
electric generating power plant. In many cases the distinction between a system and a 
component  depends  upon  one's  point  of  view.  For  example,  consider  the 
transportation  system  of  a  country.  An  automobile  is  a  system  also;  however,  it 
would be only one part or subsystem of the entire transportation system. Going even 
further, one could speak of the power system, braking system, steering system, etc., 
4
of the automobile. In general, we shall use the term cryogenic system to refer to an 
interacting group of components involving low temperatures. Air liquefaction plants, 
helium  refrigerators,  and  storage  vessels  with  the  associated  controls  are  some 
examples of cryogenic systems.
Fig. 1.1. The cryogenic temperature range.
1.2. Historical background 
In  1726  Jonathan  Swift  wrote  in  Gulliver's  account  of  his  trip  to  the 
mythical Academy of Lagado: 
He  (the  universal  artist)  told  us  he  had  been  thirty  years  employing  his 
thoughts  for  the  improvement  of  human  life.  He  had  two  large  rooms  full  of 
wonderful curiosities, and fifty men at work. Some were condensing air into a dry 
tangible substance, by extracting the nitre, and letting the aqueous or fluid particles 
percolate. 
5
At  the  time  Gulliver's  Travels  was  written,  air  was  considered  to  be  a 
"permanent  gas."  Thus  Swift  envisioned  the  liquefaction  of  air  some  150  years 
before the feat was actually accomplished. 
In the 1840s, in an attempt­ to relieve the suffering of malaria patients, Dr. 
John Gorrie, a Florida physician, developed an expansion engine for the production 
of ice. Although Dr. Gorrie’s engine was used only to cool air for air conditioning of 
sickrooms and was not part of a cryogenic system, most large­scale air liquefaction 
systems  today  use  the  same  principle  of  expanding  air  through  a  work­producing 
device, such as an expansion engine or expansion turbine, in order to extract energy 
from the air so that the air can be liquefied. 
It  was  not  until  the  end  of  1877  that  a  so­called  permanent  gas  was  first 
liquefied. In this year Louis Paul Cailletet, a French mining engineer, produced a fog 
of  liquid­oxygen  droplets  by  precooling  a  container  filled  with  oxygen  gas  at 
approximately 300 atm and allowing the gas to expand suddenly by opening a valve 
on the apparatus. About the same time Raoul Pictet, a Swiss physicist, succeeded in 
producing liquid oxygen by a cascade process. 
In the early 1880s one of the first low­temperature physics laboratories, the 
Cracow  University  Laboratory  in  Poland,  was  established  by  Szygmunt  von 
Wroblewski and K. Olszewski. They obtained liquid oxygen "boiling quietly in a test 
tube" in sufficient quantity to study properties in April 1883. A few days later, they 
also liquefied nitrogen. Having succeeded in obtaining oxygen and nitrogen as true 
liquids (not just a fog of liquid droplets), Wroblewski and Olszewski, now working 
separately  at  Cracow,  attempted  to  liquefy  hydrogen  by  Cailletet's  expansion 
technique.  By  first  cooling  hydrogen  in  a  capillary  tube  to  liquid­oxygen 
temperatures and expanding suddenly from 100 atm to I atm, Wroblewski obtained a 
fog of liquid­hydrogen droplets in 1884, but he was not able to obtain hydrogen in 
the completely liquid form. 
The  Polish  scientists  at  the  Cracow  University  Laboratory  were  primarily 
interested in determining the physical properties of liquefied gases. The ever­present 
problem of heat transfer from ambient plagued these early investigators because the 
6
cryogenic  fluids  could  be  retained  only  for  a  short  time  before  the  liquids  boiled 
away. To improve this situation, an ingenious experimental technique was developed 
at Cracow. The experimental test tube containing a cryogenic fluid was surrounded 
by a series of concentric tubes, closed at one end. The cold vapor arising from the 
liquid flowed through the annular spaces between the tubes and intercepted some of 
the heat traveling toward the cold test tube. This concept of vapor shielding is used 
today in conjunction with high­performance insulations for the long­term storage of 
liquid helium in bulk quantities. 
A  giant  step  forward  in  preserving  cryogenic  liquids  was  made  in  1892 
when  James  Dewar,  a  chemistry  professor  at  the  Royal  Institution  in  London, 
developed the vacuum­jacketed vessel for cryogenic­fluid storage. Dewar found that 
using  a  double­walled  glass  vessel  having  the  inner  surfaces  silvered  (similar  to 
present­day  thermos  bottles)  resulted  in  a  reduction  of  the  evaporation  rate  of  the 
stored  fluid  by  a  factor  of  30  over  that  of  an  uninsulated  container.  This  simple 
container played a significant role in the liquefaction of hydrogen and helium in bulk 
quantities. In May 1898 Dewar produced 20 cm) of liquid hydrogen boiling quietly 
in a vacuum­insulated tube, instead of a mist. 
In 1895 two significant events in cryogenic technology occurred. Carl von 
Linde, who had established the Linde Eismaschinen AG in 1879, was granted a basic 
patent on air liquefaction in Germany. Although Linde was not the first to liquefy air, 
he was one of the first to recognize the industrial implications of gas liquefaction and 
to put these ideas into practice. Today the Linde Company is one of the leaders in 
cryogenic engineering. 
After  more  than  10  years  of  low­temperature  study,  Heike  Kamerlingh 
Onnes established the Physical Laboratory at the University of Lei den in Holland in 
1895.  Onnes'  first  liquefaction  of  helium  in  1908  was  a  tribute  both  to  his 
experimental  skill  and  to  his  careful  planning.  He  had  only  360  liters  of  gaseous 
helium obtained by heating monazite sand from India. More than 60 cm3
 of liquid 
helium  was  produced  by  Onnes  in  his  first  attempt.  Onnes  was  able  to  attain  a 
temperature of 1.04 K in an unsuccessful attempt to solidify helium by lowering the 
pressure above a container of liquid helium in 1910. 
7
The physicists at the Leiden laboratory were interested in investigating the 
properties of materials at low temperatures and in checking natural principles known 
to be valid at ambient temperatures, at cryogenic temperatures. It was in 1911, while 
he was checking the various theories of electrical resistance of solids at liquid­helium 
temperatures, that Onnes discovered that the electrical resistance of the mercury wire 
on which he was experimenting suddenly decreased to zero. This event marked the 
first observation of the phenomenon of superconductivity­the basis for many novel 
devices used today. 
In 1902 Georges Claude, a French engineer, developed a practical system 
for air liquefaction in which a large portion of the cooling effect of the system was 
obtained  through  the  use  of  an  expansion  engine.  Claude's  first  engines  were 
reciprocating engines using leather seals (actually, the engines were simply modified 
steam engines). During the same year, Claude established l'Air Liquide to develop 
and produce his systems. 
Although cryogenic engineering is considered a relatively new field in the 
U.S., it must be remembered that the use of liquefied gases in U.S. industry began in 
the early 1900s. Linde installed the first air­liquefaction plant in the United States in 
1907, and the first American­made air­liquefaction plant was completed in 1912. The 
first  commercial  argon­production  was  put  into  operation  in  1916  by  the  Linde 
company  in  Cleveland,  Ohio.  In  1917  three  experimental  plants  were  built  by  the 
Bureau  of  Mines,  with  the  cooperation  of  the  Linde  Company,  Air  Reduction 
Company, and the Jefferies­Norton Corporation, to extract helium from natural gas 
of Clay County,' Texas. The helium was intended for use in airships for World War I. 
Commercial production of neon began in the United States in 1922, although Claude 
had produced neon in quantity in France since 1907.
On  16  March  1926,  Dr.  Robert  H.  Goddard  conducted  the  world's  first 
successful flight of a rocket powered by liquid­oxygen­gasoline propellant on a farm 
near Auhurn, Massachusetts. This first flight lasted only 2½ seconds, and the rocket 
reached a maximum speed of only 22 m/s (50 mph). Dr. Goddard continued his work 
during the 1930s and by 1941 he had brought his cryogenic rockets to a fairly high 
8
degree  of  perfection.  In  fact,  many  of  the  devices  used  in  Dr.  Goddard's  rocket 
systems were used later in the German V­2 weapons system. 
During that same year (1926), William Francis Giauque and Peter Debye 
independently  suggested  the  adiabatic  demagnetization  method  for  obtaining 
ultralow  temperatures  (less  than  0.1  K).  It  was  not  until  1933  that  Giauque  and 
MacDougall at Berkeley and De Haas, Wiersma, and Kramers at Leiden made use of 
the technique to reach temperatures from 0.3 K (Giauque and MacDougall) to 0.09 K 
(De Haas et al.). 
As  early  as  1898  Sir  James  Dewar  made  measurements  on  heat  transfer 
through  evacuated  powders.  In  1910  Smoluchowski  demonstrated  the  significant 
improvement  in  insulating  quality  that  could  be  achieved  by  using  evacuated 
powders  in  comparison  with  unevacuated  insulations.  In  1937  evacuated­powder 
insulations were first used in the United States in bulk storage of cryogenic liquids. 
Two years later, the first vacuum powder­insulated railway tank car was built for the 
transport of liquid oxygen. 
The world became aware of some of the military implications of cryogenic 
technology  in  1942  when  the  German  V  ­2  weapon  system  was  successfully  test­
fired at Peenemunde under the direction of Dr. Walter Dornberger. The V­2 weapon 
system  was  the  first  large,  practical  liquid  propellant  rocket.  This  vehicle  was 
powered by liquid oxygen and a mixture of 75 percent ethyl alcohol and 25 percent 
water. 
Around  1947  Dr.  Samuel  C.  Collins  of  the  department  of  mechanical 
engineering at Massachusetts Institute of Technology developed an efficient liquid­
helium laboratory facility. This event marked the beginning of the period in which 
liquid­helium  temperatures  became  feasible  and  fairly  economical.  The  Collins 
helium cryostat, marketed by Arthur D. Little, Inc., was a complete system for the 
safe,  economical  liquefaction  of  helium  and  could  be  used  also  to  maintain 
temperatures at any level between ambient temperature and approximately 2 K. 
The  first  buildings  for  the  National  Bureau  of  Standards  Cryogenic 
Engineering Laboratory were completed in 1952. This laboratory was established to 
9
provide engineering data on materials of construction, to produce large quantities of 
liquid  hydrogen  for  the  Atomic  Energy  Commission,  and  to  develop  improved 
processes and equipment for the fast growing cryogenic field. Annual conferences in 
cryogenic  engineering  have  been  sponsored  by  the  National  Bureau  of  Standards 
(sometimes  sponsored  jointly  with  various  universities)  from  1954  (with  the 
exception of 1955) to 1973. At the 1972 conference at Georgia Tech in Atlanta, the 
Conference  Board  voted  to  change  to  a  biennial  schedule  alternating  with  the 
Applied  Superconductivity  Conference.  This  schedule  has  been  followed  with 
meetings  in  Kingston,  Ontario  in  1975,  Boulder  in  1977,  Madison,  Wisconsin  in 
1979, San Diego, California in 1981, and Colorado Springs in 1983. 
Early in 1956 work with liquid hydrogen was greatly accelerated when Pratt 
and Whitney Aircraft was awarded a contract to develop a liquid hydrogen­fueled 
rocket  engine  for  the  United  States  space  program.  The  following  year  the  Atlas 
ICBM was successfully test­fired. The Atlas was powered by a liquid­oxygen­RP­l 
propellant combination and had a sea level thrust of I. 7 MN (380,000 Ibf). At the 
Cape Kennedy Space Center on 27 October 1961, the first flight test of the Saturn 
launch vehicle was conducted. The Saturn V was the first space vehicle to use the 
liquid hydrogen­liquid­oxygen propellant combination. 
In 1966, Hall, Ford, and Thompson at Manchester, and Neganov, Borisov, 
and  Liburg  at  Moscow  independently  succeeded  in  achieving  continuous 
refrigeration  below  0.1  K  using  a  He3
­He4
  dilution  refrigerator.  This  new 
refrigeration  technique  had  been  proposed  in  1951  by  H.  London.  The  dilution 
refrigerator had certain advantages over the magnetic refrigerator, which relied on 
the adiabatic demagnetization principle to achieve temperatures in the 0.01 K to 0.10 
K  range.  Thus  considerable  research  effort  has  been  devoted  to  the  study  and 
improvement of the dilution refrigerator. . 
In  1969  a  3250­hp,  20D­rpm  superconducting  motor  (Fawley  motor)  was 
constructed by the International Research and Development Co., Ltd., in England. In 
1972  IRD  installed  a  superconducting  motor  in  a  ship  to  drive  the  electrical 
propulsion system. 
10
This chronology of cryogenic technology is summarized in Table 1.1. 
We see that cryogenics has grown from an interesting curiosity in the times 
of Linde and Claude to a diversified, vital field of engineering. 
1.3. Present areas involving cryogenic engineering 
Present­day applications of cryogenic technology are widely varied, both in 
scope and in magnitude. Some of the areas involving cryogenic engineering include: 
1. Rocket  propulsion  systems.  All  the  large  United  States  launch  vehicles  use 
liquid oxygen as the oxidizer. The Space Shuttle propulsion system uses both 
cryogenic fluids, liquid oxygen, and liquid hydrogen. 
2. Studies  in  high­energy  physics.  The  hydrogen  bubble  chamber  uses  liquid 
hydrogen in the detection and study of high­energy particles produced in large 
particle accelerators. 
3. Electronics.  Sensitive  microwave  amplifiers,  called  masers,  are  cooled  to 
liquid­nitrogen or liquid­helium· temperatures so that thermal vibrations of the 
atoms of the amplifier element do not seriously interfere with absorption and 
emission of microwave energy. CryogenicaIly cooled masers have been used in 
missile detectors, in radio astronomy to listen to faraway galaxies, and in space 
communication systems.
Table 1.1. Chronology of cryogenic technology
Year Event
1877 Cailletet and Pictet liquefied oxygen (Pictet 1892). 
1879 Linde founded the Linde Eismaschinen AG.
1883 Wroblewski and Olszewski completely liquefied nitrogen and oxygen at the 
Cracow University Laboratory (Olszewski 1895). 
1884 Wroblewski produced a mist of liquid hydrogen. 
1892 Dewar developed a vacuum­insulated vessel for cryogenic­fluid storage 
(Dewar 1927). 
1895 Onnes established the Leiden Laboratory. Linde was granted a basic patent on 
air liquefaction in Germany. 
1898 Dewar produced liquid hydrogen in bulk at the Royal Institute of London. 
11
1902 Claude established l'Air Liquide and developed an air­liquefaction system 
using an expansion engine. 
1907 Linde installed the first air­liquefaction plant in America. Claude produced 
neon as a by­product of an air plant.
1908 Onnes liquefied helium (Onnes 1908). 
1910 Linde developed the double­column air­separation system. 
1911 Onnes discovered superconductivity (Onnes 1913). 
1912 First American­made air­liquefaction plant completed. 
1916 First commercial production of argon in the United States. 
1917 First natural­gas liquefaction plant to produce helium. 
1922 First commercial production of neon in the United States. 
1926 Goddard test­fired the first cryogenically propelled rocket. Cooling by 
adiabatic demagnetization independently suggested by Giauque and Debye. 
1933 Magnetic cooling used to attain temperatures below I K. 
1934 Kapitza designed and built the first expansion engine for helium. Evacuated­
powder insulation first used on a commercial scale in cryogenic­fluid storage 
vessels.
1939 First vacuum­insulated railway tank car built for transport of liquid oxygen.
1942 The V­2 weapon system was test­fired (Dornberger 1954). The Collins 
cryostat developed. 
1948 First 140 ton/day oxygen system built in America. 
1949 First 300 ton/day on­site oxygen plant for chemical industry completed. 
1952 National Bureau of Standards Cryogenic Engineering Laboratory established 
(Brickwedde 1960). 
1957 LOX­RP­I propelled Atlas ICBM test­fired. Fundamental theory (BCS 
theory) of superconductivity presented. 
1958 High­efficiency multilayer cryogenic insulation developed (Black 1960). 
1959 Large NASA liquid­hydrogen plant at Torrance, California, completed. 
1960 Large­scale liquid­hydrogen plant completed at West Palm Beach, Rorida. 
1961 Saturn launch vehicle test­fired. 
1963 60 ton/day liquid­hydrogen plant completed by Linde Co. at Sacramento, 
California. 
1964 Two liquid­methane tanker ships designed by Conch Methane Services. Ltd., 
entered service. 
12
1966 Dilution refrigerator using HeJ­He' mixtures developed (Hall 1966; Neganov 
1966).
1969 3250­hp de superconducting motor constructed (Appleton 1971).
1970 Liquid oxygen plants with capacities between 60,000 mJ/h and 70,000 mJ/h 
developed.
1975 Record high superconducting transition temperature (23 K) achieved. 
Tiny  superconducting  electronic  elements,  called  SQUIDs  (superconducting 
quantum  interference  devices)  have  been  used  as  extremely  sensitive  digital 
magnetometers  and  voltmeters.  These  devices  are  based  on  a  superconducting 
phenomenon,  called  the  Josephson  effect,  which  involves  quantum  mechanical 
tunneling  of  electrons  from  one  superconductor  to  another  through  an  insulating 
barrier. 
In addition to SQUIDs, other electronic devices that utilize superconductivity 
in  their  operation  include  superconducting  amplifiers,  rectifiers,  transformers,  and 
magnets.  Superconducting  magnets  have  been  used  to  produce  the  high  magnetic 
fields required in MHD systems, linear accelerators, and tokamaks. Superconducting 
magnets have been used to levitate high­speed trains at speeds up to 500 km/h. 
4. Mechanical  design.  By  utilizing  the  Meissner  effect  associated  with 
superconductivity, practically zero­friction bearings have been constructed that 
use  a  magnetic  field  as  the  lubricant  instead  of  oil  or  air.  Superconducting 
motors have been constructed with practically zero electrical losses for such 
applications  as  ship  propulsion  systems.  Superconducting  gyroscopes  with 
extremely small drift have been developed. 
5. Space  simulation  and  high­vacuum  technology.  To  produce  a  vacuum  that 
approaches that of outer space (from 10­12
 torr to 10­14
 torr), one of the more 
effective methods involves low temperatures. Cryopumping or freezing out the 
residual  gases,  is  used  to  provide  the  ultrahigh  vacuum  required  in  space 
simulation chambers and in test chambers for space propulsion systems. The 
cold of free space is simulated by cooling a shroud within the environmental 
chamber by means of liquid nitrogen. Dense gaseous helium at less than 20 K 
13
or  liquid  helium  is  used  to  cool  the  cryopanels  that  freeze  out  the  residual 
gases. 
6. Biological  and  medical  applications.  The  use  of  cryogenics  in  biology,  or 
cryobiology, has aroused much interest. Liquid­nitrogen­cooled containers are 
used to preserve whole blood, tissue, bone marrow, and animal semen for long 
periods  of  time.  Cryogenic  surgery  (cryosurgery)  has  been  used  for  the 
treatment of Parkinson's disease, eye surgery, and treatment of various lesions. 
This  surgical  procedure  has  many  advantages  over  conventional  surgery  in 
several applications. 
7. Food processing. Freezing as a means of preserving food was used as far back 
as 1840. Today frozen foods are prepared by placing cartons on a conveyor belt 
and moving the belt through a liquid­nitrogen bath or gaseous­nitrogen­cooled 
tunnel.  Initial  contact  with  liquid  nitrogen  freezes  all  exposed  surfaces  and 
seals  in  flavor  and  aroma.  The  cryogenic  process  requires  about  7  minutes 
compared  with  30  to  48  minutes  required  by  conventional  methods.  Liquid 
nitrogen has also been used as the refrigerant in frozen­food transport trucks 
and railway cars. 
8. Manufacturing  processes.  Oxygen  is  used  to  perform  several  important 
functions  in  the  steel  manufacturing  process.  Cryogenic  systems  are  used  in 
making ammonia. Pressure vessels have been formed by placing a preformed 
cylinder in a die cooled to liquid­nitrogen temperatures. High­pressure nitrogen 
gas is admitted into the vessel until the container stretches about 15 percent, 
and  the  vessel  is  removed  from  the  die  and  allowed  to  warm  to  room 
temperature. Through the use of this method, the yield strength of the material 
has been increased 400 to 500 percent. 
9. Recycling  of  materials.  One  of  the  more  difficult  items  to  recycle  is  the 
automobile or truck tire. By freezing the tire in liquid nitrogen, tire rubber is 
made brittle and can be crushed into small particles. The tire cord and metal 
components in the original tire can be separated easily from the rubber, and the 
14
rubber  particles  can  be  used  again  for  other  items.  At  present  the  cryogenic 
technique is the only effective one to recover the rubber from steel radial tires. 
These  are  a  few  of  the  areas  involving  cryogenic  engineering­a  field  in 
which new developments are continually being made. 
15
MODULE II 
LOW­TEMPERATURE PROPERTIES OF 
ENGINEERING MATERIALS 
Familiarity with the properties and behavior of materials used in any system 
is  essential  to  the  design  engineer.  At  first  thought,  one  might  suppose  that  by 
observing  the  variation  of  material  properties  at  room  temperature  he  could 
extrapolate  this  information  down  through  the  relatively  small  temperature  range 
involved in cryogenics (some 300°C) with fair confidence. In some cases, such as for 
the elastic constants, this may be done with acceptable accuracy. On the other hand, 
there are several significant effects that appear only at very low temperatures. Some 
examples of these effects include the vanishing of specific heats, superconductivity, 
and  ductile­brittle  transitions  in  carbon  steel.  None  of  these  phenomena  can  be 
inferred from property measurements made at near­ambient temperatures. 
In  this  chapter,  we  shall  investigate  the  physical  properties  of  some 
engineering  materials  commonly  used  in  cryogenic  engineering.  The  primary 
purpose  of  the  chapter  is  to  examine  the  effect  of  variation  of  temperature  on 
material properties in the cryogenic temperature range and to become familiar with 
the properties and behavior of materials at low temperatures. 
MECHANICAL PROPERTIES 
2.1. Ultimate and yield strength 
For many materials, there is a definite value of stress at which the strain of 
the material in a simple tensile test begins to increase quite rapidly with increase in 
stress. This value of stress is defined as the yield strength Sy of the material. For 
other  materials  that  do  not  exhibit  a  sharp  change  in  the  slope  of  the  stress­strain 
curve, the yield strength is defined as the stress required to permanently deform the 
material in a simple tensile test by 0.2 percent (sometimes 0.1 percent is used). The 
ultimate strength Su of a material is defined as the maximum nominal stress attained 
during  a  simple  tensile  test.  The  temperature  variation  of  the  ultimate  and  yield 
strengths of several engineering materials is shown in Figs. 2.1 and 2.2. 
16
Fig.2.1. Ultimate strength for several engineering materials: (I) 2024­T4 aluminum; 
(2) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; (5) 304 stainless steel; (6) CI020 
carbon steel; (7) 9 percent Ni steel; (8) Teflon; (9) Invar­36 (Durham et al. 1962). 
Many  engineering  materials  are  alloys,  in  which  alloying  materials  with 
atoms  of  different  size  from  those  of  the  basic  material  are  added  to  the  basic 
material;  for  example,  carbon  is  added  to  iron  to  produce  carbon  steel.  If  the 
alloying­element atoms are smaller than the atoms of the basic material, the smaller 
atoms tend to migrate to regions around dislocations in the metal. The presence of 
the smaller atoms around the dislocation tends to "pin" the dislocation in place or 
make  dislocation  motion  more  difficult  (Wigley  1971).  The  yielding  process  in 
alloys takes place when a stress large enough to pull many dislocations away from 
their  "atmosphere"  of  alloying  atoms  is  applied.  Plastic  deformation  or  yielding 
occurs because of the gross motion of these dislocations through the material. 
As  the  temperature  is  lowered,  the  atoms  of  the  material  vibrate  less 
vigorously. Because of the decreased thermal agitation of the atoms, a larger applied 
stress is required to tear dislocations from their atmosphere of alloying atoms. From 
17
this  line  of  reasoning,  we  should  expect  that  the  yield  strength  for  alloys  would 
increase as the temperature is decreased. This has been found to be true for most 
engineering materials.
 
Fig. 2.2. Yield strength for several engineering materials: (1) 2024­ T4 aluminum: 
(2) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; (5) 304 stainless steel; (6) CI020 
carbon steel; (7) 9 percent Ni steel; (8) Teflon; (9) Invar­36 (Durham et al. 1962). 
2.2. Fatigue strength 
There are several ways to express the resistance of a material to stresses that 
vary with time, but the most common method is a simple reversed bending test The 
stress required for failure after a given number of cycles is called the fatigue strength 
Sf. Some materials, such as carbon steels and aluminum­magnesium alloys, have the 
property  that  the  fatigue  failure  will  not  occur  if  the  stress  is  maintained  below  a 
certain value, called the endurance limit Se, no matter how many cycles have elapsed. 
18
The temperature variation of the fatigue strength at 106
 cycles for several materials is 
shown in Fig. 2.3. 
Because of the time involved to complete a test, fatigue data at cryogenic 
temperatures  are  not  as  extensive  as  ultimate­strength  and  yield  strength  data; 
however, for the materials that have been tested, it has been found that the fatigue 
strength increases as the temperature is decreased. 
Fig.  2.3.  Fatigue  strength  at  1()6  cycles:  (I)  2024­  T4  aluminum;  (2)  beryllium 
copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  CI020  carbon  steel 
(Durham et al. 1962). 
Fatigue  failure  generally  occurs  in  three  stages  for  the  case  of  more  than 
about 10) cycles: microcrack initiation, slow crack growth until a critical crack size 
is  achieved,  and  the  final  rapid  failure  either  by  ductile  rupture  or  by  cleavage. 
Microcrack  initiation  usually  occurs  at  the  surface  of  the  specimen  as  a  result  of 
inhomogeneous shear deformation or at small flaws near the surface. The growth of 
the microcracks occurs as the material fails at the high­stress region around the tip of 
19
the crack. As the temperature of a material is decreased, a larger stress is required to 
extend  the  crack;  therefore,  we  should  expect  to  observe  that  the  fatigue  strength 
increases as the temperature is decreased. 
For aluminum alloys, it has been found (De Money and Wolfer 1961) that 
the  ratio  of  fatigue  strength  to  ultimate  strength  remains  fairly  constant  as  the 
temperature is lowered. This fact may be used in estimating the fatigue strength for 
nonferrous materials at cryogenic temperatures if no fatigue data are available at the 
low temperatures. 
2.3. Impact strength 
The Charpy and the Izod impact tests give a measure of the resistance of a 
material to impact loading. These tests indicate the energy absorbed by the material 
when it is fractured by a suddenly applied force. Charpy impact strength of several 
materials is shown in Fig. 2.4. 
Fig.  2.4.  Charpy  impact  strength  at  low  temperatures:  (I)  2024·T4  aluminum;  (2) 
beryl·  lium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  CI020 
carbon steel; (7) 9 percent Ni steel (Durham et al. 1962). 
20
A ductile­brittle transition occurs in some materials, such as carbon steel, at 
temperatures  ranging  from  room  temperature  down  to  78  K,  which  results  in  a 
severely  reduced  impact  strength  at  low  temperatures.  The  impact  behavior  of  a 
metal is largely determined by its lattice structure. The face­centered­cubic (FCC) 
lattice  has  more  slip  planes  available  for  plastic  deformation  than  does  the  body­
centered­cubic  (BCC)  lattice.  In  addition,  interstitial  impurity  atoms  interact  only 
with edge dislocations to retard slipping in the FCC structure; whereas, both edge 
and screw dislocations can become pinned in the BCC structure. The metals with a 
FCC lattice or hexagonal lattice tend to fail by plastic deformation in the impact test 
(thereby absorbing a relatively large amount of energy before breaking) and retain 
their  resistance  to  impact  as  the  temperature  is  lowered.  The  metals  with  a  BCC 
lattice  tend  to  reach  a  temperature  at  which  it  is  more  energetically  favorable  to 
fracture by cleaving (thereby absorbing a relatively small amount of energy). Thus 
these materials become brittle at low temperatures. 
Most  plastics  and  rubber  materials  become  brittle  upon  cooling  below  a 
transition temperature also. Two notable exceptions are Teflon and Kel­F. 
2.4. Hardness and ductility 
The ductility of materials is usually indicated by the percentage elongation 
to failure or the reduction in cross­sectional area of a specimen in a simple tensile 
test.  The  accepted  dividing  line  between  a  brittle  material  and  'a  ductile  one  is  5 
percent elongation or a strain of 0.05 cm/cm at failure. Materials that elongate more 
than  this  value  before  failure  are  called  ductile;  those  with  less  than  5  percent 
elongation  are  called  brittle.  The  ductility  of  several  materials  as  a  function  of 
temperature is shown in Fig. 2.5. 
For  materials  that  do  not  exhibit  a  ductile­to­brittle  transition  at  low 
temperatures, the ductility usually increases somewhat as the temperature is lowered. 
For the carbon steels, which do have a low­temperature transition, the elongation at 
failure drops from 25 to 30 percent for the softer steels down to 2 or 3 percent during 
the transition. Obviously, these materials should not be used at low temperatures in 
any applications in which ductility is important. 
21
Hardness of metals is measured by the indention made in the surface of the 
material  by  a  standard  indenter.  Common  hardness  tests  include  (1)  Brinell  (ball 
indenter),  (2)  Vickers  (diamond  pyramid  indenter),  and  (3,  Rockwell  (ball  or 
diamond indenter with various loads). In general, the hardness of metals as measured 
by any of these means is directly proportional to the ultimate strength of the material; 
therefore, the hardness increases as the temperature is decreased. This proportionality 
is to be expected because a penetration test is essentially a miniature tensile test. 
Fig.  2.5.  Percent  elongation  for  various  materials:  (I)  2024­T4  aluminum;  (2) 
beryllium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  C1020 
carbon steel; (7) 9 percent Ni steel (Durham et al. 1962). 
2.5. Elastic moduli 
There are three commonly used elastic moduli: (1) Young's modulus E. the 
rate of change of tensile stress with respect to strain at constant temperature in the 
elastic region; (2) shear modulus G. the rate of change of shear stress with respect to 
shear strain at constant temperature in the elastic region; and (3) bulk modulus B, the 
rate of change of pressure (corresponding to a uniform three­dimensional stress) with 
respect  to  volumetric  strain  (change  in  volume  per  unit  volume)  at  constant 
temperature.  If  the  material  is  isotropic  (many  polycrystalline  materials  can  be 
22
considered  isotropic  for  engineering  purposes),  these  three  moduli  are  related 
through Poisson's ratio v, the ratio of strain in one direction due to a stress applied 
perpendicular to that direction to the strain parallel to the applied stress:
E
B
3(1 2)

  (2.1)
E
G
2(1 )

  (2.2)
Fig.  2.6.  Young's  modulus  at  low  temperatures:  (I)  2024­  T  4  aluminum;  (2) 
beryllium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  ClO20 
carbon steel; (7) 9 percent Ni steel (Durham et al. 1962). 
The variation of Young's modulus with temperature for several materials is 
given in Fig. 2.6. 
As the temperature is decreased, interatomic and intermolecular forces tend 
to  increase  because  of  the  decrease  in  the  disturbing  influence  of  atomic  and 
molecular  vibrations.  Because  elastic  reaction  is  due  to  the  action  of  these 
intermolecular  and  interatomic  forces,  one  would  expect  the  elastic  moduli  to 
23
increase  as  the  temperature  is  decreased.  In  addition,  it  has  been  found 
experimentally that Poisson's ratio for isotropic materials do not change appreciably 
with  change  in  temperature  in  the  cryogenic  range;  therefore,  all  three  of  the 
previously mentioned elastic moduli vary in the same manner with temperature. 
THERMAL PROPERTIES 
2.6. Thermal conductivity 
The thermal conductivity kt of a material is defined as the heat­transfer rate 
per  unit  area  divided  by  the  temperature  gradient  causing  the  heat  transfer.  The 
variation of thermal conductivity of several solids is shown in Fig. 2.7. Values of the 
thermal  conductivity  of  cryogenic  liquids  and  gases  are  given  in  Appendixes  B 
through E. 
Fig.  2.7.  Thermal  conductivity  of  materials  at  low  temperatures:  (ll  2024­T4 
aluminum: (3) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; (5) 304 stainless steel; 
(6) C1020 carbon steel; (7) pure copper; (8) Teflon (Stewart and Johnson 1961). 
24
To  understand  the  variation  of  thermal  conductivity  at  low  temperatures, 
one  must  be  aware  of  the  different  mechanisms  for  transport  of  energy  through 
materials.  There  are  three  basic  mechanisms  responsible  for  conduction  of  heat 
through  materials:  (l)  electron  motion,  as  in  metallic  conductors;  (2)  lattice 
vibrational energy transport, or phonon motion, as in all solids; and (3) molecular 
motion,  as  in  organic  solids  and  gases.  In  liquids,  the  primary  mechanism  for 
conduction heat transfer is the transfer of molecular vibrational energy; whereas in 
gases, heat is conducted primarily by transfer of translational energy (for monatomic 
gases) and translational and rotational energy (for diatomic gases). 
U sing principles of kinetic theory of gases (Eucken 1913), we may obtain a 
theoretical  expression  relating  the  thermal  conductivity  to  other  properties  of  the 
material: 
tk 1 8(9 5) C    
where   = specific heat ratio 
 = density of material 
Cv = specific heat at constant volume 
v = average particle velocity 
A = mean free path of particles, or average distance a particle travels before 
it is deflected 
For  all  gases  the  thermal  conductivity  decreases  as  the  temperature  is 
lowered. Because the product of density and mean free path for a gas is practically 
constant, and the specific heat is not a strong function of temperature, the thermal 
conductivity of a gas should vary with temperature in the same manner as the mean 
molecular speed u, as indicated by eqn. (2.3). From kinetic theory of gases (Present 
1958), the mean molecular speed is given by 
1 2
c8g RT 
    
25
where gc is the conversion factor in Newton's law (gc = 1 kg­m/N­s2
 in the SI system 
of units; gc = 32.174 Ibm­ft/lbrsec2
 in the British system of units), R is the specific gas 
constant  for  the  particular  gas  (R  =  Ru/M,  where  Ru  is  the  universal  gas  constant, 
8.31434 J/mol­K or 1545 ft­lbf/lbmole­o
R, and M is the molecular weight of the gas), 
and T is the absolute temperature of the gas. A decrease in temperature results in a 
decrease  in  the  mean  molecular  speed  and,  consequently,  a  decrease  in  the  gas 
thermal conductivity. 
All  cryogenic  liquids  except  hydrogen  and  helium  have  thermal 
conductivities  that  increase  as  the  temperature  is  decreased.  Liquid  hydrogen  and 
helium  behave  in  a  manner  opposite  to  that  of  other  liquids  in  the  cryogenic 
temperature range. 
For heat conduction in solids, the thermal conductivity is related to other 
properties by an expression similar to that for gases, 
1
t 3k C   (2.5) 
Energy  is  transported  in  metals  by  both  electronic  motion  and  phonon 
motion;  however,  in  most  pure  electric  conductors,  the  electronic  contribution  to 
energy  transport  is  by  far  the  larger  for  temperatures  above  liquid­nitrogen 
temperatures.  The  electronic  specific  heat  is  directly  proportional  to  absolute 
temperature (see Sec. 2.7), and the electron mean free path in this temperature range 
is  inversely  proportional  to  absolute  temperature.  Because  the  density  and  mean 
electron speed are only weak functions of temperature, the thermal conductivity of 
electric  conductors  above  liquid­nitrogen  temperatures  is  almost  constant  with 
temperature,  as  would  be  predicted  by  eqn.  (2.5).  As  the  absolute  temperature  is 
lowered below liquid­nitrogen temperatures, the phonon contribution to the energy 
transport  becomes  significant.  In  this  temperature  range,  the  thermal  conductivity 
becomes approximately proportional to T­2
 for pure metals. The thermal conductivity 
increases to a very high maximum as the temperature is lowered, until the mean free 
path of the energy carriers becomes on the order of the dimensions of the material 
sample.  When  this  condition  is  reached,  the  boundary  of  the  material  begins  to 
introduce a resistance to the motion of the carriers, and the carrier mean free path 
26
becomes  constant  (approximately  equal  to  the  material  thickness).  Because  the 
specific  heat  decreases  to  zero  as  the  absolute  temperature  approaches  zero,  from 
eqn. (2.5) we see that the thermal conductivity would also decrease with a decrease 
in temperature in this very low temperature region. 
In disordered alloys and impure metals, the electronic contribution and tire. 
phonon contribution to energy transport are of the same order of magnitude. There is 
an additional scattering of the energy carriers due to the presence of impurity atoms 
in  impure  metals.  This  scattering  effect  is  directly  proportional  to  absolute 
temperature. Dislocations in the material provide a scattering that is proportional to 
T2
,  and  grain  boundaries  introduce  a  scattering  that  is  proportional  to  T3
  at 
temperatures much lower than the Debye temperature. All these effects combine to 
cause  the  thermal  conductivity  of  allays  and  impure  metals  to  decrease  as  the 
temperature  is  decreased,  and  the  high  maximum  in  thermal  conductivity  is 
eliminated in alloys. 
2.7. Specific heats of solids 
The specific heat of a substance is defined as the energy required to change 
the temperature of the substance by one degree while the pressure is held constant 
(c )  or  while  the  volume  is  held  constant  (cv).  For  solids  and  liquids  at  ordinary 
pressures,  the  difference  between  the  two  specific  heats  is  small,  while  there  is 
considerable  difference  for  gases.  The  variation  of  the  specific  heats  with 
temperature  gives  an  indication  of  the  way  in  which  energy  is  being  distributed 
among the various modes of energy of the substance on a microscopic level. 
Specific heat is a physical property that can be predicted fairly accurately by 
mathematical models through statistical mechanics and quantum theory. For solids 
the Debye model gives a satisfactory representation of the variation of the specific 
heat with temperature. In this model, Debye assumed that the solid could be treated 
as a continuous medium, except that the number of vibrational waves representing 
internal energy must be limited to the total number of vibrational degrees of freedom 
of the atoms making up the medium­that is, three times the total number of atoms. 
The  expression  for  the  specific  heat  of  a  monatomic  crystalline  solid  as  obtained 
through the Debye theory is 
27
D/T
3 4 x
3 x 20
D DD
9RT x e dx T T
C 3R D
(e 1)


   
     
      

(2.6)          where 
8D is called the Debye characteristic temperature and is a property of the material, 
and D(T/ D) is called the Debye function. A plot of the specific heat as given by eqn. 
(2.6) is shown in Fig. 2.8, and the Debye specific­heat function is tabulated in Table 
2.1. Values of  D for several substances are given in Table 2.2. 
Fig. 2.8. The Debye specific heat function.
28
Table 2.1. Debye specific heat function
T/ D Cv/R T/ D Cv/R T/ D Cv/R
0.08
0.09
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.1191
0.1682
0.2275
0.3733
0.5464
0.7334
0.9228
1.1059
1.5092
1.8231
2.0597
2.2376
0.45
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
2.3725
2.4762
2.6214
2.7149
2.7781
2.8227
2.8552
2.8796
2.8984
2.9131
2.9248
2.9344
1.60
1.70
1.80
1.90
2.00
2.20
2.40
2.60
2.80
3.00
4.00
5.00
2.9422
2.9487
2.9542
2.9589
2.9628
2.9692
2.9741
2.9779
2.9810
2.9834
2.9844
2.9900
The theoretical expression for the Debye temperature is given by
1
3
a
D
h 3N
k 4 V
  
   
  (2.7)
where h = Planck’s constant
va = speed of sound in the solid
k = Boltzmann’s constant
N/V = number of atoms per unit volume for the solid.
2.8 Specific Heat of Liquids and Gases
In general, the specific heat Cv of cryogenic liquids decreases in the same 
way  that  the  specific  heat  of  crystalline  solids  decreases  as  the  temperature  is 
lowered.  At  low  pressures  the  specific  heat  cp  decreases  with  a  decrease  in 
temperature also. At high pressures in the neighborhood of the critical point, humps 
in the specific­heat curve are observed for all cryogenic fluids (and in fact for all 
fluids). From thermodynamic reasoning we know that the difference in specific heats 
for a pure substance is given by 
29
P
P
p
C C T
T T


    
     
     (2.10)
In the vicinity of the critical point, the coefficient of thermal expansion 
P
1
T
 
   
  
becomes quite large; therefore, one would expect large increases of the specific heat 
cp in the vicinity of the critical point also. 
The specific heat of liquid helium behaves in a peculiar way­it shows a high, 
sharp peak in the neighborhood of 2.17 K (3.91o
R). The behavior of liquid helium is 
so different from that of other liquids that we shall devote a separate section to a 
discussion of its properties. 
Gases at pressures low compared with their critical pressure approach the 
ideal­gas state, for which the specific heat Cu is independent of pressure. According 
to the classical equipartition theorem, the specific heat of a material is given by 
Cv = ½Rf (2.11)
where f is the number of degrees of freedom of a molecule making up the material. 
For  monatomic  gases,  the  only  significant  mode  of  energy  is  translational  kinetic 
energy of the molecules, which involves three degrees of freedom. From eqn. (2.11) 
the specific heat Cv for such monatomic gases as neon and argon in the ideal­gas state 
is Cv = 3
/2R. In diatomic gases, other modes are possible. For example, if we consider 
a "rigid­dumbbell" model of a diatomic molecule such as nitrogen (i.e., we neglect 
vibration of the molecule), there are three translational degrees of freedom plus two 
rotational degrees of freedom. We consider only two rotational degrees of freedom 
because the moment of inertia of the molecule about an axis through the centers of 
the  two  atoms  making  up  the  molecule  is  negligibly  small  compared  with  the 
momel1t of inertia about an axis perpendicular to the interatomic axis. From eqn. 
(2.11)  the  specific  heat  Cv  for  the  rigid­dumbbell  model  of  an  ideal  diatomic  gas 
would be Cv = 5
/2R. This is true for most diatomic gases at ambient temperatures, at 
which the gases obey classical statistics. Because the molecules in a diatomic gas are 
not truly rigid dumbbells, we should also expect to have vibrational modes present, 
30
in  which  the  two  molecules  vibrate  around  an  equilibrium  position  within  the 
molecule under the influence of the interatomic forces holding the molecule together. 
In  this  case,  two  more  degrees  of  freedom  due  to  the  vibrational  mode  would  be 
present, so the specific heat for a vibrating­dumbbell molecule would be Cv = ~R 
according to the classical theory. 
In  the  actual  case,  the  rotational  and  vibrational  modes  are  quantized,  so 
they are not excited if the temperature is low enough. The variation of the specific 
heat of diatomic hydrogen gas with temperature is illustrated in Fig. 2.9. At very low 
temperatures, only the translational modes are excited, so the specific heat Cv takes 
on the value 3
/2R, the same as that of a monatomic gas. To determine whether the 
rotational modes will be excited, one must compare the temperature of the gas with a 
characteristic rotation temperature  r, defined by 
2
r 2
h
8 Ik
 
 (2.12)
where h = Planck's constant 
I = moment of inertia of the molecule about an axis perpendicular to the 
interatomic axis 
k = Boltzmann's constant 
If  the  temperature  is  less  than  about  1
/3 r  the  rotational  mode  is  not  appreciably 
excited; if the temperature is greater than about 3 r, the rotational mode is practically 
completely excited. Most diatomic gases become liquids at temperatures higher than 
3 r; however, H2, D2, and HD are exceptions to this statement. Because of the small 
moment of inertia of the hydrogen molecule, the characteristic rotation temperature 
is  quite  a  bit  above  the  liquefaction  temperature  for  hydrogen  ( r  =  85.4  K  or 
153.7o
R  for  hydrogen,  so  3 ,  =  256.2  K  or  461.1o
R).  The  specific  heat  Cv  of 
hydrogen  gas  rises  from  3
/2R  at  temperatures  below  about  30  K  (54°R)  to  5
/2R  at 
temperatures above 255 K (459°R). 
31
The  vibrational  modes  for  a  diatomic  gas  are  also  quantized  and  become 
excited  at  temperatures  on  the  order  of  a  characteristic  vibration  temperature  v 
defined by 
h
k

 
f
(2.13)
                   Fig. 2.9. Variation of the specific heat c, for hydrogen gas.
where  fv  is  the  vibrational  frequency  of  the  molecule.  The  characteristic  vibration 
temperature for gases is much higher than cryogenic temperatures, so the vibrational 
mode is not excited for gases at cryogenic temperatures ( v = 6100 K or 1O,980o
R 
for hydrogen gas). 
The change in the specific heat of hydrogen between 30 K and 255 K is 
important for hydrogen liquefiers and hydrogen­cooled helium liquefiers because it 
affects the effectiveness of the heat exchangers, as we shall see in Chap. 3. 
At pressures higher than near ambient, the specific heats of gases vary in a 
more complicated manner with temperature and pressure. A complete coverage of 
this effect is beyond the scope of our present discussion. 
2.9. Coefficient of thermal expansion 
The  volumetric  coefficient  of  thermal  expansion    is  defined  as  the 
fractional change in volume per unit change in temperature while the pressure on the 
32
material remains constant. The linear coefficient of thermal expansion  t is defined 
as  the  fractional  change  in  length  (or  any  linear  dimension)  per  unit  change  in 
temperature while the stress on the material remains constant. For isotropic materials, 
 = 3 t. The temperature variation of the linear coefficient of thermal expansion 
for several materials is shown in Fig. 2.10. 
The temperature variation of the coefficient of thermal expansion may be 
explained  through  a  consideration  of  the  intermolecular  forces  of  a  material.  The 
intermolecular  potential­energy  curve,  as  shown  in  Fig.  2.11,  is  not  symmetrical. 
Therefore, as the molecule acquires more energy (or as its temperature is increased), 
its  mean  position  relative  to  its  neighbors  becomes  larger;  that  is,  the  material 
expands. The rate at which the mean spacing of the atoms increases with temperature 
increases as the energy or temperature of the material increases; thus, the coefficient 
of thermal expansion increases as temperature is increased. 
Fig.  2.10.  Linear  coefficient  of  thermal  expansion  for  several  materials  at  low 
temperature: (I) 2024­T4 aluminum; (2) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; 
(5)  304  stainless  steel;  (6)  C1020  carbon  steel  (NBS  Monograph  29,  Thermal 
Expansion of Solids at Low Temperatures). 
33
Since  both  the  specific  heat  and  the  coefficient  of  thermal  expansion  are 
associated  with  intermolecular  energy,  one  might  expect  to  find  a  relationship 
between the two properties. For crystalline solids, the Gruneisen relation expresses 
this interdependence: 
GC
B
 
 
(2.14)
where    is  the  density  of  the  material,  B  is  the  bulk  modulus,  and  G  is  the 
Gruneisen constant, which is independent of temperature as a first approximation. 
Values of the Gruneisen constant for some materials are presented in Table 2.4. 
Table 2.4. Values of the Gruneisen constant for selected solids
Material G
Aluminum  2.17
Copper  1.96
Gold  2.40
Iron  1.60
Lead  2.73
Nickel  1.88
Platinum  2.54
Silver  2.40
Tantalum  1.75
Tungsten  1.62
We have seen previously that the bulk modulus B is not strongly dependent 
upon temperature for solids (it increases somewhat as the temperature is decreased); 
therefore,  the  coefficient  of  thermal  expansion  for  solids  should  vary  with 
temperature in the same way that the Debye specific heat varies with temperature. 
This general variation has been found true experimentally. At very low temperatures 
(T <  D/12), the coefficient of thermal expansion is proportional to T3
• 
ELECTRIC AND MAGNETIC PROPERTIES 
2.10. Electrical conductivity 
The electrical conductivity k, of a material is defined as the electric current 
per  unit  cross­sectional  area  divided  by  the  voltage  gradient  in  the  direction  of 
current  flow.  The  electrical  resistivity  re  is  the  reciprocal  of  the  electrical 
34
conductivity.  The  variation  with  temperature  of  the  electrical  resistivity  of  several 
materials is shown in Fig. 2.12. 
Fig.2.11. Variation of the intermolecular potential energy for a pair of molecules. At 
absolute zero, the molecular spacing would be r0. 
When  an  external  electric  field  is  applied  to  an  electric  conductor,  free 
electrons in the conductor are forced to move in the direction of the applied field. 
This motion is opposed by the positive ions of the metal lattice and impurity atoms 
present in the material. Decreasing the temperature of the conductor decreases the 
vibrational energy of the ions, which in turn results in a smaller interference with 
electron motion. Therefore, the electrical conductivity increases as the temperature is 
lowered for metallic conductors. 
One  of  the  first  theories  of  electric  resistance  was  developed  by  Drude 
(Kittel 1956), who treated the free electrons as an "electron gas." He obtained the 
following expression for the electrical conductivity: 
35
2
e
e
(N / V)e
k
m


 (2.15)
where N/V = number of free electrons per unit volume 
e = charge of an electron 
 = electron mean free path 
me = mass of an electron 
  = average speed of an electron 
Equation  (2.15)  gives  the  correct  order  of  magnitude  for  the  electrical 
conductivity of a metal such as silver at room temperature if we assume that N/V is 
on the order of the number of valence electrons per unit volume,   is on the order of 
the  interatomic  spacing,  and  the  mean  electron  kinetic  energy  is  given  by 
2
3
e 2½m kT  ,  according  to  classical  theory.  In  order  to  obtain  the  correct 
temperature dependence for the electrical conductivity from eqn. (2.15), however, we 
must assume that the electron mean free path is inversely proportional to T ½
 because 
the  electrical  conductivity  is  approximately  inversely  proportional  to  absolute 
temperature. 
An application of quantum mechanics and band theory to the problem of 
prediction of the electrical conductivity does not result in an equation different from 
eqn.  (2.15);  however,  it  does  allow  us  to  predict  the  correct  relationships  for  the 
electron velocity and mean free path. According to the quantum­mechanical picture, 
the velocity appearing in eqn. (2.15) is the average velocity of the electrons near the 
so­called  Fermi  surface  of  the  metal.  For  ordinary  temperatures  this  velocity  is 
practically constant:
1
3n
F
e e
h 3 N
2 m 2 m
 
         (2.16)
36
Fig.  2.12.  Electrical  resistivity  ratio  for  several  materials  at  low  temperatures: 
(1)copper; (2) silver; (3) iron; (4) aluminum (Stewart and Johnson 1961). 
2.11. Superconductivity
One  of  the  properties  of  certain  materials  that  appears  only  at  very  low 
temperatures  is  superconductivity  ­  the  simultaneous  disappearance  of  all  electric 
resistance and the appearance of perfect diamagnetism. In the absence of a magnetic 
field,  many  elements,  alloys,  and  compounds  become  superconducting  at  a  fairly 
well­defined  temperature,  called  the  transition  temperature  in  zero  field  T0. 
Superconductivity  can  be  destroyed  by  increasing  the  magnetic  field  around  the 
material  to  a  large  enough  value.  The  magnetic  field  strength  required  to  destroy 
superconductivity is called the critical field HC. For Type I superconductors, there is 
a single value of the critical field at which the transition from superconducting to 
normal  behavior  is  abrupt.  For  Type  II  superconductors  (so­called  "hard" 
superconductors), there is a lower critical field HC1, at which the transition begins, 
37
and an upper critical field HC2 at which the transition is complete. Table 2.5 lists the 
critical field at absolute zero H0 and the transition temperature for several materials. 
Note that some alloys are superconductors even though the pure elements making up 
the alloys are not superconductors. 
For Type I specimens in the shape of a long cylinder or wire placed parallel 
10 the applied magnetic field, the critical field is well defined at every temperature 
and is a function of temperature. The critical field may be related approximately to 
the absolute temperature by 
2
C 0 0H H [1 (T / T ) ]  (2.24)
Although  the  parabolic  relationship  is  not  exactly  true,  it  is  adequate  for 
many purposes. 
The  phenomenon  of  superconductivity  was  discovered  by  Kamerlingh 
Onnes in 1911 while investigating the electric resistance of mercury wire. After its 
discovery,  this  new  state  of  matter  became  the  object  of  investigation  by  several 
theoretical  and  experimental  physicists  to  determine  the  properties  of 
superconductors and to try to explain the basic mechanism of the phenomenon. The 
early attempts to develop a thermodynamic theory were unsuccessful because it was 
assumed  that  any  magnetic  field  present  within  the  material  in  the  normal  state 
remained frozen­in when the substance became superconducting. 
Gorter  (1933)  applied  the  principles  of  reversible  thermodynamics  to  the 
superconducting phenomenon and obtained results that were in excellent agreement 
with experimental measurements. This caused quite a bit of discussion because many 
investigators thought that the transition was not thermodynamically reversible. In the 
same year, this matter was cleared up somewhat by an experiment by Meissner and 
Ochsenfeld  (1933).  They  cooled  a  monocrystal  of  tin  in  a  magnetic  field  until  it 
became superconducting and found that the magnetic field was expelled from within 
the material when the sample became superconducting, as shown in Fig. 2.13. The 
results  of  the  Meissner­Ochsenfeld  experiment  indicated  that  the  magnetic  flux 
density within a bulk superconducting material (Type I) was always zero, no matter 
what value of magnetic flux density existed within the material before the transition. 
38
Superconductivity was shown to be a case not only of zero electric resistance but 
also  of  perfect  magnetic  insulation.  The  Meissner  effect  as  the  expulsion  of  the 
magnetic field when a material becomes superconducting is called, forms the basis 
for the frictionless bearing and superconducting motor. 
Fig. 2.13. The Meissner effect. When a material is normal, the magnetic flux lines 
can  penetrate  the  material.  When  the  material  becomes  superconducting,  the 
magnetic field is expelled from thin the material. 
Shortly after the discovery of the Meissner effect, two "phenomenological 
theories" of superconductivity were proposed. Gorter and Casimir (1934) proposed a 
two­fluid model, in which two types of electrons took part in the electric current­the 
normal or "uncondensed" ones and the superconducting or "condensed" ones. This 
model was used to predict thermodynamic properties of superconductors with good 
success. Fritz and Heinz London (1935) proposed an electromagnetic theory that, in 
conjunction  with  the  classical  Maxwell  equations  of  electromagnetism,  predicted 
many of the electric and magnetic properties of superconductors. The results of the 
calculations  made  by  the  Londons  showed  that  the  magnetic  field  actually  did 
penetrate the surface of a superconductor for a very small distance (on the order of 
0.1  m) called the penetration depth. The results also predicted that extremely thin 
superconductors should have much higher critical fields than thick ones. Kropschot 
and Arp (1961) suggested that this property of thin superconducting films could be 
used in high­field, thin­film superconducting magnets. 
Both the theory of the Londons and the theory of Gorter­Casimir predicted 
many of the properties of superconductors, but the theories did not explain the "why" 
39
of the phenomenon. It was not until 1950 that an acceptable fundamental theory of 
superconductivity was suggested. Frolich (1950) and Bardeen (1950) independently 
proposed a mechanism involving the interaction of electrons in the superconductor. 
Their ideas were developed into the BCS theory in 1957 by Bardeen, Cooper, and 
Schrietfer (1957). They applied the quantum theory to pairs of electrons produced by 
a special electron­lattice interaction. This process may be visualized as one in which 
the first electron moving through the lattice causes a slight displacement of the ions, 
which results in a positive screening charge slightly greater than the charge of the 
electron. The second electron is then attracted toward the net positive charge region. 
A correlation exists between all the pairs of electrons in the superconductor, and a 
finite  amount  of  energy  is  required  to  break  up  the  pair,  corresponding  to  the  so­
called energy gap for the superconductor. As the temperature is increased above the 
threshold  value,  enough  energy  is  available  to  uncouple  the  electron  pair,  and  the 
material becomes normal. 
Ginzburg  and  Landau  (1950)  developed  a  phenomenological  theory  that 
explained the difference between the Type I and Type II superconductors in terms of 
a  parameter  k,  which  was  related  to  the  surface  energy  of  the  material.  Those 
materials for which k is less than 1/ 2  have a positive surface energy and are Type 
I  superconductors.  On  the  other  hand,  those  materials  for  which  k  is  greater  than 
1/ 2  have a negative surface energy and are Type II superconductors. This theory 
of  superconductivity  is  now  known  as  the  GLAG  theory  after  the  four  Russian 
contributors: Ginzburg, Landau, Abrikosov, and Gor’kov. Based on the concepts of 
the theory, relationships between the parameter K and the upper and lower critical 
fields were established. 
C
C1
H (0.081 ln k)
H
k 2

(2.26)
and
C2 CH 2 kH
From a practical standpoint, eqn. (2.27) indicates that materials with a large 
value of K will have a high value of the upper critical field HC2. 
40
For materials which have a relative permeability of approximately unity, the 
magnetic induction   and the magnetization M are related by 
 =  0(H+M) (2.28)
For Type I superconductors, the magnetic induction is zero, and H = –M. 
At. The behavior of Type II superconductors is similar, for fields less than the lower 
critical  field  HC1.  For  higher  magnetic  fields,  the  field  begins  to  penetrate  the 
material, and the behavior of the material is shown in Fig. 2.14. 
There are several properties that change either abruptly or gradually when a 
material makes the transition from the normal to the superconducting state. Some of 
these properties include: 
1. Specific heat. The specific heat increases abruptly when a material becomes 
superconducting. 
2. Thermoelectric  effects.  All  the  thermoelectric  effects  (Peltier,  Thomson, 
and Seebeck effects) vanish when a material becomes superconducting. A 
superconducting thermocouple would not work at all. 
3. Thermal  conductivity.  In  the  presence  of  a  magnetic  field,  the  thermal 
conductivity of a pure metal decreases abruptly when the metal becomes 
superconducting, although for some alloys (for example, Pb­Bi in a limited 
range of compositions) the opposite is true. In the absence of a magnetic 
field, there is no discontinuous change in the thermal conductivity, but the 
slope change is sharp on the conductivity­temperature curve. 
4. Electric resistance. For Type I superconductors the decrease of resistance 
to zero is quite abrupt; however, for Type II superconductors the change is 
sometimes spread over a temperature range as large as 1 K. 
5. Magnetic permeability. The magnetic permeability suddenly decreases to 
zero for Type I superconductors (the Meissner effect); however, for Type II 
superconductors  the  Meissner  effect  is  incomplete  for  magnetic  fields 
greater than the lower critical field. 
41
Fig. 2.14. Variation of the magnetization with applied magnetic field intensity for 
Type I and Type II superconductors. 
Over the years considerable experimental effort has been expended in the 
study of superconducting alloys and compounds in order to develop materials that 
would remain superconducting at high values of magnetic field and at temperatures 
nearer  to  liquid­hydrogen  temperature  (about  20  K).  The  materials  most  used  for 
superconducting magnets have been either the body­centered­cubic alloys of niobium 
and titanium or the cubic beta­tungsten­type (Al5) compounds, such as Nb3Sn. 
The body­centered­cubic alloys have been used in construction of magnets 
with field strengths up to 10 tesla, while the niobium­titanium alloys can reach 12 
tesla. In order to achieve thermal and magnetic stability, the niobium­titanium wires 
used  in  superconducting  magnets  are  usually  clad  with  high­conductivity  copper. 
Although  the  compound  niobium­tin  has  superconducting  properties  somewhat 
superior  to  niobium­titanium,  Nb3Sn  is  extremely  brittle,  and  special  fabrication 
methods are required for its use. 
PROPERTIES OF CRYOGENIC FLUIDS 
2.12. Fluids other than hydrogen and helium 
A summary of some of the thermodynamic and transport properties of fluids 
commonly used in cryogenic engineering is shown in Table 2.6. Further data on fluid 
properties are contained in the appendix. 
42
Liquid nitrogen is a dear, colorless fluid that resembles water in appearance. 
At  standard  atmospheric  pressure  (101.3  kPa)  liquid  nitrogen  beils  at  77.36  K 
(139.3°R) and freezes at 63.2 K (113.8°R). Saturated liquid nitrogen at 1 atm has a 
density of 807 kg/m3
 (50.4 lbm/ft3
) in comparison with water at 15.6o
C (60°F), which 
has a density of 999 kg/m3
 (62.3 lbm/ft). One of the significant differences between 
the  properties  of  liquid  nitrogen  and  water  (apart  from  the  difference  in  normal 
boiling points) is that the heat of vaporization of nitrogen is more than an order of 
magnitude smaller than that of water. At the normal boiling point, liquid nitrogen has 
a  heat  of  vaporization  of  199.3  kJ/kg  (85.7  Btu/lbm),  while  water  has  a  heat  of 
vaporization of 2257 kJ/kg (970.3 Btu/lbm). 
Nitrogen with an atomic number of 14 has two stable isotopes with mass 
numbers 14 and 15. The relative abundance of these two isotopes is 10,000:38. They 
are relatively difficult to separate. 
Because nitrogen is the major constituent of air (n.08 percent by volume or 
75.45 percent by weight), it is produced commercially by distillation of liquid air. 
Liquid oxygen has a characteristic blue color caused by the presence of the 
polymer or long­chain molecule O4. At 1 atm pressure liquid oxygen boils at 90.18 K 
(162.3°R) and freezes at 54.4 K (98.00
R). Saturated liquid oxygen at 1 atm is more 
dense than water at 15o
C (liquid­oxygen density = 1141 kg/m3
 = 71.2 lbm/ft3
). Oxygen 
is slightly magnetic (paramagnetic) in contrast to the other cryogenic fluids, which 
are  nonmagnetic.  By  measuring  the  magnetic  susceptibility,  small  amounts  of 
oxygen may be detected in mixtures of other gases. Because of its chemical activity, 
oxygen presents a safety problem in handling. Serious explosions have resulted from 
the combination of oxygen and hydrocarbon lubricants. 
Oxygen  with  an  atomic  number  of  16  has  three  stable  isotopes  of  mass 
numbers  16,  17,  and  18.  The  relative  abundance  of  these  three  isotopes  is 
10,000:4:20. 
Oxygen  is  manufactured  in  large  quantities  by  distillation  of  liquid  air 
because it is the second most abundant substance in air (20.95 percent by volume or 
23.2 percent by weight). 
43
Liquid argon is a clear, colorless fluid with properties similar to those of 
liquid nitrogen. It is inert and nontoxic. At 1 atm pressure liquid argon boils at 87.3 
K (157.1o
R) and freezes at 83.8 K (150.8°R). Saturated liquid argon at 1 atm is more 
dense  than  oxygen,  as  one  would  expect,  because  argon  has  a  larger  molecular 
weight than oxygen (argon density = 1394 kg/m3
 = 87.0 Ibm/ft3
 for saturated liquid at 
1 atm). The difference between the normal boiling point and the freezing point for 
argon is only 3.5 K (6.3°R). 
Argon has three stable isotopes of mass numbers 36, 38, and 40 that occur in 
a relative abundance in the atmosphere in the ratios 338:63:100,000. 
Argon is present in atmospheric air in a concentration of 0.934 percent by 
volume or 1.25 percent by weight. Because the boiling point of argon lies between 
that  of  liquid  oxygen  and  that  of  liquid  nitrogen  (slightly  closer  to  that  of  liquid 
oxygen), a crude grade of argon (90 to 95 percent pure) can be obtained by adding a 
small auxiliary argon­recovery column in an air­separation plant. 
Neon  is  another  gas  that  can  be  produced  as  a  by­product  of  an  air 
separation plant. Liquid neon is a clear, colorless liquid that boils at 1 atm at 27.09 K 
(48.8°R) and freezes at 24.54 K (44.3°R). The boiling point of neon is somewhat 
above that of liquid hydrogen. But the fact that neon is inert, has a larger heat of 
vaporization  per  unit  volume,  and  has  a  higher  density  makes  it  an  attractive 
refrigerant when compared with hydrogen. 
Neon (atomic weight = 20.183) has three stable isotopes of mass numbers 
20,  21,  and  22  that  occur  in  a  relative  abundance  in  atmospheric  air  in  the  ratios 
10,000:28:971. 
Liquid  fluorine  is  a  light  yellow  liquid  having  a  normal  boiling  point  of 
85.24 K (153.4°R). At 53.5 K (96.4°R) and 101.3 kPa, liquid fluorine freezes as a 
yellow solid, but upon subcooling to 45.6 K (82°R) it transforms to a white solid. 
Liquid fluorine is one of the most dense cryogenic liquids (density at normal boiling 
point = 1507 kg/m3
 = 94.1 Ibm/ft3
). 
Fluorine is characterized chemically by its extreme reactivity, as indicated 
by the emf of its electrochemical half cell (E = –2.85 volts). Fluorine will react with 
44
almost all inorganic substances. If fluorine comes in contact with hydrocarbons, it 
will react hypergolically with a high heat of reaction, which is sometimes sufficiently 
high that the metal container for the fluorine is ignited. Such metals as low­carbon 
stainless steel and Monel, which are used in fluorine systems, develop a protective 
surface film when brought in contact with fluorine gas. This surface film prevents the 
propagation of the fluorine­metal reaction into the bulk metal. 
Fluorine  is  highly  toxic.  The  fatal  concentration  range  for  animals  is  200 
ppm­hr (Cassutt et al. 1960). That is, for an exposure time of I hour, 200 ppm of 
fluorine is fatal; for an exposure time of 15 minutes, 800 ppm is fatal; and for an 
exposure time of 4 hours, 50 ppm is fatal. The maximum allowable concentration for 
human exposure is usually considered to be approximately 1 ppm­hr. The presence 
of fluorine in air may be detected by its sharp, pungent odor for concentrations as 
low as I to 3 ppm. Because of its high toxicity, liquid fluorine is not utilized on a 
large scale. 
Methane is the principal component of natural gas. It is a clear, colorless 
liquid  that  boils  at  1  atm  at  111.7  K  (201.1o
R)  and  freezes  at  88.7  K  (159.7°R). 
Liquid  methane  has  a  density  approximately  one­half  of  that  for  liquid  nitrogen 
(methane. density = 424.1 kg/m3
 = 26.5 lbm/ft3
). Methane forms explosive mixtures 
with  air  in  concentrations  ranging  from  5.8  to  13.3  percent  by  volume.  Liquid 
methane has been shipped in large quantities by tanker vessels. The Methane Pioneer 
made her maiden voyage on January 28, 1959 with 5000 m3
 of LNG (liquid natural 
gas). Since that time, several vessels have been commissioned for LNG transport. 
2.13. Hydrogen 
Liquid hydrogen has a normal boiling point of 20.3 K (36.5o
R) and a density 
at the normal boiling point of only 70.79 kg/m3
 (4.42 Lbm/ft3
). The density of liquid 
hydrogen is about one­fourteenth that of water; thus, liquid hydrogen is one of the 
lightest of all liquids. Liquid hydrogen is an odorless, colorless liquid that alone will 
not support combustion. In combination with oxygen or air, however, hydrogen is 
quite flammable. Experimental work (Cassutt et al. 1960) has shown that hydrogen­
air mixtures are explosive in an unconfined space in the range from 18 to 59 percent 
hydrogen by volume. 
45
Natural hydrogen is a mixture of two isotopes: ordinary hydrogen (atomic 
mass = 1) and deuterium (atomic mass = 2). Hydrogen gas is diatomic and is made 
up of molecules of H2 and HD (hydrogen deuteride) in the ratio of 3200:1. A third 
unstable isotope of hydrogen exists, called tritium; however, it is quite rare in nature 
because it is radioactive with a short half life. 
One of the properties of hydrogen that sets it apart from other substances is 
that  it  can  exist  in  two  different  molecular  forms:  ortho­hydrogen  and  para­
hydrogen.  The  mixture  of  these  two  forms  at  high  temperatures  is  called  normal 
hydrogen  which  is  a  mixture  of  75  percent  orthohydrogen  and  25  percent  para­
hydrogen by volume. The equilibrium (catalyzed) mixture of o­H2 and p­H2 at any 
given  temperature  is  called  equilibrium­hydrogen  (e­H2).  The  equilibrium 
concentration of p­H2 in e­H2 as a function of temperature is given in Table 2.7. At 
the normal boiling point of hydrogen (20.3 K or 36.5o
R), equilibrium hydrogen has a 
composition of 0.20 percent o­H2 and 99.80 percent p­H2. One could say that it is 
practically all para­hydrogen . 
The distinction between the two forms of hydrogen is the relative spin of the 
particles that make up the hydrogen molecule. The hydrogen molecule consists of 
two  protons  and  two  electrons.  The  two  protons  possess  spin,  which  gives  rise  to 
angular momentum of the nucleus, as indicated in Fig. 2.15. When the nuclear spins 
are in the same direction, the angular momentum vectors for the two protons are in 
the  same  direction.  This  form  of  hydrogen  is  called  ortho­hydrogen.  When  the 
nuclear  spins  are  in  opposite  directions,  the  angular­momentum  vectors  point  in 
opposite directions. This form of hydrogen is called para­hydrogen. 
Table 2.7. Equilibrium concentration of para­hydrogen in equilibrium­hydrogen
Temperature 
(K)
Mole fraction
Para­Hydrogen
20.27 0.9980
30 0.9702
40 0.8873
50 0.7796
60 0.6681
70 0.5588
80 0.4988
90 0.4403
46
100 0.3947
120 0.3296
140 0.2980
160 0.2796
180 0.2676
200 0.2597
250 0.2526
300 0.2507
Deuterium can also exist in both ortho and para forms. The nucleus of the 
deuterium atom consists of one proton and one neutron, so that the high­temperature 
composition  (composition  of  normal  deuterium)  is  two­thirds  ortho­deuterium  and 
one­third  para­deuterium.  In  the  case  of  deuterium,  p­D2  converts  to  o­D2  as  the 
temperature  is  decreased,  in  contrast  to  hydrogen,  in  which  o­H2  converts  to  p­H2 
upon decrease of temperature. The hydrogen deuteride molecule does not have the 
symmetry  that  hydrogen  and  deuterium  possess;  therefore,  HD  exists  in  only  one 
form. 
As  one  can  see  from  Table  2.7,  if  hydrogen  gas  at  room  temperature  is 
cooled  to  the  normal  boiling  point  of  hydrogen,  the  o­H2  concentration  decreases 
from  75  to  0.2  percent;  that  is,  there  is  a  conversion  of  o­H2  to  p­H2  as  the 
temperature is decreased. This changeover is not instantaneous but takes place over a 
definite  period  of  time  because  the  change  is  made  through  energy  exchanges  by 
molecular magnetic interactions. During the transition, the original o­H2 molecules 
drop to a lower molecular­energy level. Thus the changeover involves the release of 
a quantity of energy called the heat of conversion. The heat of conversion is related 
to the change of momentum of the hydrogen nucleus when it changes direction of 
spin.  This  energy  released  in  the  exothermic  reaction  is  greater  than  the  heat  of 
vaporization of liquid hydrogen, as one can see from the tabulated values of the heat 
of conversion and heat of vaporization shown in Appendix D.2. 
47
              Fig. 2.15. Ortho­hydrogen and para­hydrogen.
When hydrogen is liquefied, the liquid has practically the room­temperature 
composition unless some means is used to speed up the conversion process. If the 
unconverted normal hydrogen is placed in a storage vessel, the heat of conversion 
will  be  released  within  the  container,  and  the  boil­off  of  the  stored  liquid  will  be 
considerably larger than one would determine from the ordinary heat in leak through 
the vessel insulation. Note that the heat of conversion at the normal boiling point of 
hydrogen is 703.3 kJ/kg (302.4 Btu/lbm) and the latent heat of vaporization is 443 kJ 
/kg  (190.5  Btu/lbm).  The  conversion  process  evolves  enough  energy  to  boil  away 
approximately  1  percent  of  the  stored  liquid  per  hour,  so  the  reaction  would 
eventually result in much of the stored liquid being boiled away. For this reason, a 
catalyst is used to speed up the conversion so that the energy may be removed during 
the liquefaction process before the liquid is placed in the storage vessel. 
In the absence of a catalyst, the ortho­para transformation is a second order 
reaction (Scott et al. 1934); that is, the rate of change of the o­H2 mole fraction is 
given by 
20
2 0
dx
C x
dt
 
(2.29)
where C2 is the reaction­rate constant, 0.0114 hr–1
 for hydrogen at the normal boiling 
point, and x0 = 1 – xp is the mole fraction of o­H2 present at any time t. If eqn. (2.29) 
is  integrated  from  the  initial  time  when  the  a­H2  composition  is  that  in  normal 
hydrogen (0.750), the mole fraction of o­H2 at any time is given by 
o
2
0.75
x
1 0.75C t

 (2.30)
48
for liquid hydrogen at the normal boiling point. In the presence of a catalyst that is 
well mixed with the hydrogen, the reaction approaches a first order reaction for the 
gas phase (Chapin et al. 1960), for which 
20
1 0
dx
C x
dt
 
(2.31)
where  C1  is  the  reaction­rate  constant,  which  depends  upon  the  catalyst  used,  the 
temperature, and the pressure of the gas. If the catalyst is added to the liquid phase, 
the reaction is a zero­order one (Cunningham et al. 1960), for which 
0
0
dx
C
dt
 
(2.32)
where C0 is the reaction­rate constant for the zero­order reaction, which also depends 
upon the catalyst, the fluid temperature, and the pressure. 
Fig. 2.16. Specific heat c. for p­H2• n­H2• and o­H2 (by permission from Fowler and 
Guggenheim 1949). 
49
These two forms of hydrogen have different specific heats because of the 
different weighting of the energy levels of the two forms, as indicated in Fig. 2.16. 
Because of this difference in specific heats, other thermal and transport properties are 
also affected. For example, para­hydrogen gas has a higher thermal conductivity than 
ortho­hydrogen gas because of the higher specific heat of p­H2. 
2.14. Helium 4 
Helium  has  two  stable  isotopes:  He4
,  the  most  common  one,  and  He3
. 
Ordinary  helium  gas  contains  about  1.3  ×  10–4
  percent  He3
,  so  when  we  speak  of 
helium or liquid helium, we shall be referring to He4
, unless otherwise stated. Liquid 
He4
  has  a  normal  boiling  point  of  4.214  K  (7.58°R)  and  a  density  at  the  normal 
boiling point of 124.8 kg/m3
 (7.79 lbm/ft3
), or about one­eighth that of water. Liquid 
helium has no freezing point at a pressure of 101.3 kPa (1 atm). In fact, liquid helium 
does not freeze under its own vapor pressure even if the temperature is reduced to 
absolute zero. At absolute zero, liquid helium 4 must be compressed to a pressure of 
2529.8 kPa (24.97 atm or 366.9 psia) before it will freeze, as indicated in Fig. 2.17. 
Liquid  He4
  is  odorless  and  colorless  and  has  an  index  of  refraction  near  that  of 
gaseous He4
 (nr = 1.02 for liquid He4
). The heat of vaporization of liquid He4
 at the 
normal boiling point is 20.90 kJ/kg (8.98 Btu/lbm), which is only 1
/110 that of water. 
Although helium is classified as a rare gas, and it is one of the most difficult 
gases to liquefy, its unusual properties have excited so much interest that helium has 
been the object of more experimental and theoretical research than any of the other 
cryogenic fluids. 
50
Fig. 2.17. Phase diagram for helium 4.
We notice from Fig. 2.17 that the phase diagram of He4
 differs in form from 
that  of  any  other  substance.  As  mentioned  previously,  liquid  He4
  does  not  freeze 
under its own vapor pressure; therefore, there is no triple point for the solid­liquid­
vapor region of helium as there is for other substances. There are two different liquid 
phases: Liquid helium I, the normal liquid; and liquid helium II, the superliquid. The 
phase transition curve separating the two liquid phases is called the lambda line, and 
the point at which the lambda line intersects the vapor­pressure curve is called the 
lambda point, which occurs at a temperature of 2.171 K (3.9lo
R) and a pressure of 
5.073 kPa (0.050 atm or 0.736 psia). 
In  Fig.  2.18,  we  see  that  the  specific  heat  of  liquid  helium  varies  with 
temperature in an unusual manner for liquids. At the lambda point, the liquid specific 
heat  increases  to  a  large  value  as  the  temperature  is  decreased  through  this  point. 
With a little imagination, one could say that the form of the specific­heat curve looks 
somewhat like the small Greek letter lambda; hence, the name lambda point. It was 
first  believed  that  the  transition  form  helium  I  to  helium  II  was  a  second­order 
transition; however, later work has shown that the transition is more complicated. 
51
Because  the  specific  heat  of  liquid  helium  has  such  a  different  behavior 
from  that  of  other  liquids,  we  should  expect  that  the  other  thermal  and  transport 
properties could also differ in behavior. Strangely enough, the thermal conductivity 
of helium I decreases with a decrease in temperature, which is similar to the behavior 
of the thermal conductivity of a gas. 
Heat transfer in the other form, helium II, is even more spectacular. When a 
container of liquid helium I is pumped upon to reduce the pressure above the liquid, 
the fluid boils vigorously (depending upon the rate of pumping) as the pressure of the 
liquid  decreases.  During  the  pumping  operation,  the  temperature  of  the  liquid 
decreases  as  the  pressure  is  decreased  and  liquid  is  boiled  away.  When  the 
temperature  reaches  the  lambda  point  and  the  fluid  becomes  liquid  helium  II,  all 
ebullition  suddenly  stops.  The  liquid  becomes  clear  and  quiet,  although  it  is 
vaporizing quite rapidly at the surface. The thermal conductivity of liquid helium II 
is so large that vapor bubbles do not have time to form within the body of the fluid 
before the heat is quickly conducted to the surface of the liquid. Liquid helium I has 
a thermal conductivity of approximately 24 mW/m­K (0.014 Btu/hr­ft­o
F) at 3.3 K 
(6°R), whereas liquid helium II can have an apparent thermal conductivity as large as 
85 kW/m­K (49,000 Btu/hr­ft­°F) – much higher than that of pure copper at room 
temperature! There is some question about defining a thermal conductivity for liquid 
helium II because the thermal conductivity defined in the ordinary manner depends 
not  only  on  temperature,  but  also  on  the  temperature  gradient  and  the  size  of  the 
container (Keesom et al. 1940). The reason for this behavior will illustrate the nature 
of this unique liquid. 
One  of  the  unusual  properties  of  liquid  helium  II  is  that  it  exhibits 
superliquidity;  under  certain  conditions,  it  acts  as  if  it  had  zero  viscosity.  In 
explaining the behavior of1iquid helium II, it has been proposed (Landau 1941) that 
the liquid be imagined to be made up of two different fluids: the ordinary fluid and 
the superfluid, which possess zero entropy and can move past other fluids and solid 
boundaries with zero friction. Using this model, liquid helium II has a composition of 
normal  and  superfluid  that  varies  with  temperature,  as  shown  in  Table  2.8.  At 
52
absolute zero, the liquid composition is 100 percent superfluid; at the lambda point, 
the liquid composition is 100 percent normal fluid. 
Fig. 2.18. Specific heat of saturated liquid helium 4.
The addition of heat to liquid helium II raises the local temperature of the 
liquid around the point where heat is being added, which raises the concentration of 
normal  molecules  and  lowers  the  concentration  of  superfluid  ones.  The  superfluid 
then  moves  to  equalize  the  superfluid  concentration  throughout  the  body  of  the 
liquid. Because the superfluid is frictionless, it can move rapidly; therefore, we see 
that  the  high  apparent  thermal  conductivity  of  helium  II  is  really  due  to  a  fast 
convection process rather than simply to conduction. 
This type of transfer mechanism also explains the so­called "fountain effect" 
that is observed in liquid helium II (Allen and Jones 1938; Keller 1969). When heat 
is  added  to  the  powder  in  the  apparatus  shown  in  Fig.  2.19,  the  increase  in 
temperature  tends  to  raise  the  concentration  of  normal  fluid,  and  the  superfluid 
rushes in to equalize the concentration. Normal fluid, because of its viscosity, cannot 
leave through the small openings between the fine powder particles very rapidly. The 
amount  of  helium  quickly  builds  up  within  the  tube  as  a  result  of  this  inflow  of 
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes
Cryogenics notes

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Vapor compression refrigeration cycle
Vapor compression refrigeration cycleVapor compression refrigeration cycle
Vapor compression refrigeration cyclepradosh a c
 
Unit i introduction to Cryogenics
Unit i   introduction to CryogenicsUnit i   introduction to Cryogenics
Unit i introduction to CryogenicsSawan Wani
 
Refrigeration cycle
Refrigeration cycleRefrigeration cycle
Refrigeration cyclezubi0585
 
Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...
Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...
Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...Satish Patel
 
Heat transfer GATE notes
Heat transfer GATE notesHeat transfer GATE notes
Heat transfer GATE notesSoumith V
 
Cooling Tower and Cooling Water Circuit
Cooling Tower and Cooling Water CircuitCooling Tower and Cooling Water Circuit
Cooling Tower and Cooling Water CircuitShakil Hossain
 
Basics of Refrigerartion
Basics of RefrigerartionBasics of Refrigerartion
Basics of RefrigerartionKonal Singh
 
Presentation on Expansion Devices
Presentation on Expansion DevicesPresentation on Expansion Devices
Presentation on Expansion DevicesVivek Yadav
 
Heat Pipe Seminar Presentation PPT
Heat Pipe Seminar Presentation PPTHeat Pipe Seminar Presentation PPT
Heat Pipe Seminar Presentation PPTSyam S Nair
 
Dry expansion evaporators1
Dry expansion evaporators1Dry expansion evaporators1
Dry expansion evaporators1Anand Prithviraj
 
Ppt of properties of steam
Ppt of properties of steamPpt of properties of steam
Ppt of properties of steamKaushal Mehta
 
Refrigerants used in Refrigeration System
Refrigerants used in Refrigeration SystemRefrigerants used in Refrigeration System
Refrigerants used in Refrigeration SystemAjaypalsinh Barad
 
Reversed carnot cycle
Reversed carnot cycle   Reversed carnot cycle
Reversed carnot cycle Ihsan Wassan
 
Ash handling system
Ash handling systemAsh handling system
Ash handling systemVvs Pradeep
 
Refrigeration and Air conditioning
Refrigeration and Air conditioningRefrigeration and Air conditioning
Refrigeration and Air conditioningSLA1987
 
Boiler & It's Types
Boiler & It's Types Boiler & It's Types
Boiler & It's Types Ihsan Wassan
 

Was ist angesagt? (20)

Vapor compression refrigeration cycle
Vapor compression refrigeration cycleVapor compression refrigeration cycle
Vapor compression refrigeration cycle
 
Unit i introduction to Cryogenics
Unit i   introduction to CryogenicsUnit i   introduction to Cryogenics
Unit i introduction to Cryogenics
 
Refrigeration
RefrigerationRefrigeration
Refrigeration
 
Refrigeration cycle
Refrigeration cycleRefrigeration cycle
Refrigeration cycle
 
Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...
Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...
Different types of expansion device used in refrigerator - tharmal II - 11601...
 
Condensors and evaporators
Condensors and evaporatorsCondensors and evaporators
Condensors and evaporators
 
Heat transfer GATE notes
Heat transfer GATE notesHeat transfer GATE notes
Heat transfer GATE notes
 
Cooling Tower and Cooling Water Circuit
Cooling Tower and Cooling Water CircuitCooling Tower and Cooling Water Circuit
Cooling Tower and Cooling Water Circuit
 
Cryogenics
CryogenicsCryogenics
Cryogenics
 
Basics of Refrigerartion
Basics of RefrigerartionBasics of Refrigerartion
Basics of Refrigerartion
 
Presentation on Expansion Devices
Presentation on Expansion DevicesPresentation on Expansion Devices
Presentation on Expansion Devices
 
Heat Pipe Seminar Presentation PPT
Heat Pipe Seminar Presentation PPTHeat Pipe Seminar Presentation PPT
Heat Pipe Seminar Presentation PPT
 
Dry expansion evaporators1
Dry expansion evaporators1Dry expansion evaporators1
Dry expansion evaporators1
 
Ppt of properties of steam
Ppt of properties of steamPpt of properties of steam
Ppt of properties of steam
 
Refrigerants used in Refrigeration System
Refrigerants used in Refrigeration SystemRefrigerants used in Refrigeration System
Refrigerants used in Refrigeration System
 
Evaporator
EvaporatorEvaporator
Evaporator
 
Reversed carnot cycle
Reversed carnot cycle   Reversed carnot cycle
Reversed carnot cycle
 
Ash handling system
Ash handling systemAsh handling system
Ash handling system
 
Refrigeration and Air conditioning
Refrigeration and Air conditioningRefrigeration and Air conditioning
Refrigeration and Air conditioning
 
Boiler & It's Types
Boiler & It's Types Boiler & It's Types
Boiler & It's Types
 

Ähnlich wie Cryogenics notes

Cryoref
CryorefCryoref
Cryorefritu70
 
HCl manufacturing salt sulphuric acid process
HCl manufacturing salt sulphuric acid processHCl manufacturing salt sulphuric acid process
HCl manufacturing salt sulphuric acid processjmrobert987
 
HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1
HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1
HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1Abduljalil Al-Abidi
 
Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...
Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...
Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...Henri Holmblad
 
New microsoft power point presentation (2)
New microsoft power point presentation (2)New microsoft power point presentation (2)
New microsoft power point presentation (2)sourabh singh tomar
 
Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...
Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...
Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...crackmaker00
 
19BT70309_Cryogenics.pdf
19BT70309_Cryogenics.pdf19BT70309_Cryogenics.pdf
19BT70309_Cryogenics.pdfssuser7938a1
 
ppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistryppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistrylokesh meena
 
ppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistryppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistrylokesh meena
 
A Study On Refrigeration
A Study On RefrigerationA Study On Refrigeration
A Study On RefrigerationMonica Waters
 
AA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_Processes
AA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_ProcessesAA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_Processes
AA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_ProcessesJulian Wang
 

Ähnlich wie Cryogenics notes (20)

Cryoref
CryorefCryoref
Cryoref
 
Cryogenics
CryogenicsCryogenics
Cryogenics
 
HCl manufacturing salt sulphuric acid process
HCl manufacturing salt sulphuric acid processHCl manufacturing salt sulphuric acid process
HCl manufacturing salt sulphuric acid process
 
Rac lecture 2
Rac lecture 2Rac lecture 2
Rac lecture 2
 
HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1
HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1
HVAC HISTORY OF REFRIGERATION vac ch 1
 
Cryogenics
CryogenicsCryogenics
Cryogenics
 
cryogenics.pptx
cryogenics.pptxcryogenics.pptx
cryogenics.pptx
 
Cryogenics1
Cryogenics1Cryogenics1
Cryogenics1
 
CRYOGENICS BASICS
CRYOGENICS BASICSCRYOGENICS BASICS
CRYOGENICS BASICS
 
Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...
Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...
Low temperature corrosion in black liquor recovery boilers due to hygroscopic...
 
New microsoft power point presentation (2)
New microsoft power point presentation (2)New microsoft power point presentation (2)
New microsoft power point presentation (2)
 
Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...
Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...
Its Polar Environment Central Carbon Records _ Historic Atmospheres Or Even G...
 
19BT70309_Cryogenics.pdf
19BT70309_Cryogenics.pdf19BT70309_Cryogenics.pdf
19BT70309_Cryogenics.pdf
 
ch 9 hydrogen.pdf
ch 9 hydrogen.pdfch 9 hydrogen.pdf
ch 9 hydrogen.pdf
 
Gases
GasesGases
Gases
 
ppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistryppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistry
 
ppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistryppt on hydrogen for class XI th chemistry
ppt on hydrogen for class XI th chemistry
 
A Study On Refrigeration
A Study On RefrigerationA Study On Refrigeration
A Study On Refrigeration
 
AA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_Processes
AA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_ProcessesAA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_Processes
AA_In_Situ_Lunar_Propellant_Production_And_Processes
 
for Thursday.pptx
for Thursday.pptxfor Thursday.pptx
for Thursday.pptx
 

Mehr von shone john

shone john resume
shone john resumeshone john resume
shone john resumeshone john
 
shone john resume
shone john resumeshone john resume
shone john resumeshone john
 
INTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORT
INTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORTINTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORT
INTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORTshone john
 
INDUSTRIAL SAFETY
INDUSTRIAL SAFETYINDUSTRIAL SAFETY
INDUSTRIAL SAFETYshone john
 
SOCIAL SERVICE
SOCIAL SERVICESOCIAL SERVICE
SOCIAL SERVICEshone john
 
Non ferrous alloys
Non ferrous alloysNon ferrous alloys
Non ferrous alloysshone john
 
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING AND ...
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID  MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING  AND ...DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID  MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING  AND ...
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING AND ...shone john
 
Design of transmission elements
Design of transmission elementsDesign of transmission elements
Design of transmission elementsshone john
 
Refrigeration and air conditioning (full note)
Refrigeration and air conditioning (full note)Refrigeration and air conditioning (full note)
Refrigeration and air conditioning (full note)shone john
 
thermal systems and applications
thermal systems and applicationsthermal systems and applications
thermal systems and applicationsshone john
 
Fluid mechanics notes
Fluid mechanics notesFluid mechanics notes
Fluid mechanics notesshone john
 

Mehr von shone john (11)

shone john resume
shone john resumeshone john resume
shone john resume
 
shone john resume
shone john resumeshone john resume
shone john resume
 
INTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORT
INTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORTINTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORT
INTERNSHIP/ INDUSTRIAL TRAINING REPORT
 
INDUSTRIAL SAFETY
INDUSTRIAL SAFETYINDUSTRIAL SAFETY
INDUSTRIAL SAFETY
 
SOCIAL SERVICE
SOCIAL SERVICESOCIAL SERVICE
SOCIAL SERVICE
 
Non ferrous alloys
Non ferrous alloysNon ferrous alloys
Non ferrous alloys
 
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING AND ...
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID  MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING  AND ...DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID  MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING  AND ...
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HYBRID MACHINE COMBINING RAPID PROTOTYPING AND ...
 
Design of transmission elements
Design of transmission elementsDesign of transmission elements
Design of transmission elements
 
Refrigeration and air conditioning (full note)
Refrigeration and air conditioning (full note)Refrigeration and air conditioning (full note)
Refrigeration and air conditioning (full note)
 
thermal systems and applications
thermal systems and applicationsthermal systems and applications
thermal systems and applications
 
Fluid mechanics notes
Fluid mechanics notesFluid mechanics notes
Fluid mechanics notes
 

Kürzlich hochgeladen

SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )
SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )
SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )Tsuyoshi Horigome
 
IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...
IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...
IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...RajaP95
 
High Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur Escorts
High Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur EscortsHigh Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur Escorts
High Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur EscortsCall Girls in Nagpur High Profile
 
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICSAPPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICSKurinjimalarL3
 
UNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and working
UNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and workingUNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and working
UNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and workingrknatarajan
 
Call Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service Nashik
Call Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service NashikCall Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service Nashik
Call Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service NashikCall Girls in Nagpur High Profile
 
Coefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptx
Coefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptxCoefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptx
Coefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptxAsutosh Ranjan
 
Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...
Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...
Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...Christo Ananth
 
HARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICS
HARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICSHARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICS
HARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICSRajkumarAkumalla
 
Microscopic Analysis of Ceramic Materials.pptx
Microscopic Analysis of Ceramic Materials.pptxMicroscopic Analysis of Ceramic Materials.pptx
Microscopic Analysis of Ceramic Materials.pptxpurnimasatapathy1234
 
(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...ranjana rawat
 
OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...
OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...
OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...Soham Mondal
 
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...ranjana rawat
 
KubeKraft presentation @CloudNativeHooghly
KubeKraft presentation @CloudNativeHooghlyKubeKraft presentation @CloudNativeHooghly
KubeKraft presentation @CloudNativeHooghlysanyuktamishra911
 
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINE
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINEMANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINE
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINESIVASHANKAR N
 
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130Suhani Kapoor
 
Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...
Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...
Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...Dr.Costas Sachpazis
 
(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...
(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...
(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...ranjana rawat
 
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLS
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLSMANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLS
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLSSIVASHANKAR N
 

Kürzlich hochgeladen (20)

SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )
SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )
SPICE PARK APR2024 ( 6,793 SPICE Models )
 
IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...
IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...
IMPLICATIONS OF THE ABOVE HOLISTIC UNDERSTANDING OF HARMONY ON PROFESSIONAL E...
 
High Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur Escorts
High Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur EscortsHigh Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur Escorts
High Profile Call Girls Nagpur Meera Call 7001035870 Meet With Nagpur Escorts
 
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICSAPPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
APPLICATIONS-AC/DC DRIVES-OPERATING CHARACTERISTICS
 
UNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and working
UNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and workingUNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and working
UNIT-V FMM.HYDRAULIC TURBINE - Construction and working
 
Call Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service Nashik
Call Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service NashikCall Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service Nashik
Call Girls Service Nashik Vaishnavi 7001305949 Independent Escort Service Nashik
 
Coefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptx
Coefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptxCoefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptx
Coefficient of Thermal Expansion and their Importance.pptx
 
Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...
Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...
Call for Papers - African Journal of Biological Sciences, E-ISSN: 2663-2187, ...
 
HARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICS
HARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICSHARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICS
HARDNESS, FRACTURE TOUGHNESS AND STRENGTH OF CERAMICS
 
Microscopic Analysis of Ceramic Materials.pptx
Microscopic Analysis of Ceramic Materials.pptxMicroscopic Analysis of Ceramic Materials.pptx
Microscopic Analysis of Ceramic Materials.pptx
 
(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANJALI) Dange Chowk Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
 
OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...
OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...
OSVC_Meta-Data based Simulation Automation to overcome Verification Challenge...
 
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
(ANVI) Koregaon Park Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pun...
 
KubeKraft presentation @CloudNativeHooghly
KubeKraft presentation @CloudNativeHooghlyKubeKraft presentation @CloudNativeHooghly
KubeKraft presentation @CloudNativeHooghly
 
★ CALL US 9953330565 ( HOT Young Call Girls In Badarpur delhi NCR
★ CALL US 9953330565 ( HOT Young Call Girls In Badarpur delhi NCR★ CALL US 9953330565 ( HOT Young Call Girls In Badarpur delhi NCR
★ CALL US 9953330565 ( HOT Young Call Girls In Badarpur delhi NCR
 
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINE
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINEMANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINE
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-2 LATHE MACHINE
 
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
VIP Call Girls Service Hitech City Hyderabad Call +91-8250192130
 
Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...
Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...
Structural Analysis and Design of Foundations: A Comprehensive Handbook for S...
 
(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...
(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...
(SHREYA) Chakan Call Girls Just Call 7001035870 [ Cash on Delivery ] Pune Esc...
 
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLS
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLSMANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLS
MANUFACTURING PROCESS-II UNIT-5 NC MACHINE TOOLS
 

Cryogenics notes

  • 2. 3 Module I INTRODUCTION TO CRYOGENIC SYSTEMS 1.1. Introduction  The word cryogenics means, literally, the production of icy cold; however,  the  term  is  used  today  as  a  synonym  for  low  temperatures.  The  point  on  the  temperature scale at which refrigeration in the ordinary sense of the term ends and  cryogenics  begins  is  not  sharply  defined.  The  workers  at  the  National  Bureau  of  Standards at Boulder, Colorado, have chosen to consider the field of cryogenics as  that  involving  temperatures  below  ­150°C  (123  K)  or  ­  240°F  (2200 R).  This  is  a  logical dividing line, because the normal boiling points of the so­called permanent  gases, such as helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, and air, lie below ­ 150°C,  while  the  Freon  refrigerants,  hydrogen  sulfide,  ammonia,  and  other  conventional  refrigerants all boil at temperatures above ­150°C. The position and range of the field  of cryogenics are illustrated on a logarithmic thermometer scale in Fig. 1.1.  In the field of cryogenic engineering, one is concerned with developing and  improving low­temperature techniques, processes, and equipment. As contrasted to  low­temperature  physics,  cryogenic  engineering  primarily  involves  the  practical  utilization of low­temperature phenomena, rather than basic research, although the  dividing line between the two fields is not always clear­cut. The engineer should be  familiar with physical phenomena in order to know How to utilize them effectively;  the  physicist  should  be  familiar  with  engineering  principles  in  order  to  design  experiments and apparatus.  A system may be defined as a collection of components united by definite  interactions  or  interdependencies  to  perform  a  definite  function.  Examples  of  common engineering systems include the automobile, a petroleum refinery, and an  electric generating power plant. In many cases the distinction between a system and a  component  depends  upon  one's  point  of  view.  For  example,  consider  the  transportation  system  of  a  country.  An  automobile  is  a  system  also;  however,  it  would be only one part or subsystem of the entire transportation system. Going even  further, one could speak of the power system, braking system, steering system, etc., 
  • 3. 4 of the automobile. In general, we shall use the term cryogenic system to refer to an  interacting group of components involving low temperatures. Air liquefaction plants,  helium  refrigerators,  and  storage  vessels  with  the  associated  controls  are  some  examples of cryogenic systems. Fig. 1.1. The cryogenic temperature range. 1.2. Historical background  In  1726  Jonathan  Swift  wrote  in  Gulliver's  account  of  his  trip  to  the  mythical Academy of Lagado:  He  (the  universal  artist)  told  us  he  had  been  thirty  years  employing  his  thoughts  for  the  improvement  of  human  life.  He  had  two  large  rooms  full  of  wonderful curiosities, and fifty men at work. Some were condensing air into a dry  tangible substance, by extracting the nitre, and letting the aqueous or fluid particles  percolate. 
  • 4. 5 At  the  time  Gulliver's  Travels  was  written,  air  was  considered  to  be  a  "permanent  gas."  Thus  Swift  envisioned  the  liquefaction  of  air  some  150  years  before the feat was actually accomplished.  In the 1840s, in an attempt­ to relieve the suffering of malaria patients, Dr.  John Gorrie, a Florida physician, developed an expansion engine for the production  of ice. Although Dr. Gorrie’s engine was used only to cool air for air conditioning of  sickrooms and was not part of a cryogenic system, most large­scale air liquefaction  systems  today  use  the  same  principle  of  expanding  air  through  a  work­producing  device, such as an expansion engine or expansion turbine, in order to extract energy  from the air so that the air can be liquefied.  It  was  not  until  the  end  of  1877  that  a  so­called  permanent  gas  was  first  liquefied. In this year Louis Paul Cailletet, a French mining engineer, produced a fog  of  liquid­oxygen  droplets  by  precooling  a  container  filled  with  oxygen  gas  at  approximately 300 atm and allowing the gas to expand suddenly by opening a valve  on the apparatus. About the same time Raoul Pictet, a Swiss physicist, succeeded in  producing liquid oxygen by a cascade process.  In the early 1880s one of the first low­temperature physics laboratories, the  Cracow  University  Laboratory  in  Poland,  was  established  by  Szygmunt  von  Wroblewski and K. Olszewski. They obtained liquid oxygen "boiling quietly in a test  tube" in sufficient quantity to study properties in April 1883. A few days later, they  also liquefied nitrogen. Having succeeded in obtaining oxygen and nitrogen as true  liquids (not just a fog of liquid droplets), Wroblewski and Olszewski, now working  separately  at  Cracow,  attempted  to  liquefy  hydrogen  by  Cailletet's  expansion  technique.  By  first  cooling  hydrogen  in  a  capillary  tube  to  liquid­oxygen  temperatures and expanding suddenly from 100 atm to I atm, Wroblewski obtained a  fog of liquid­hydrogen droplets in 1884, but he was not able to obtain hydrogen in  the completely liquid form.  The  Polish  scientists  at  the  Cracow  University  Laboratory  were  primarily  interested in determining the physical properties of liquefied gases. The ever­present  problem of heat transfer from ambient plagued these early investigators because the 
  • 5. 6 cryogenic  fluids  could  be  retained  only  for  a  short  time  before  the  liquids  boiled  away. To improve this situation, an ingenious experimental technique was developed  at Cracow. The experimental test tube containing a cryogenic fluid was surrounded  by a series of concentric tubes, closed at one end. The cold vapor arising from the  liquid flowed through the annular spaces between the tubes and intercepted some of  the heat traveling toward the cold test tube. This concept of vapor shielding is used  today in conjunction with high­performance insulations for the long­term storage of  liquid helium in bulk quantities.  A  giant  step  forward  in  preserving  cryogenic  liquids  was  made  in  1892  when  James  Dewar,  a  chemistry  professor  at  the  Royal  Institution  in  London,  developed the vacuum­jacketed vessel for cryogenic­fluid storage. Dewar found that  using  a  double­walled  glass  vessel  having  the  inner  surfaces  silvered  (similar  to  present­day  thermos  bottles)  resulted  in  a  reduction  of  the  evaporation  rate  of  the  stored  fluid  by  a  factor  of  30  over  that  of  an  uninsulated  container.  This  simple  container played a significant role in the liquefaction of hydrogen and helium in bulk  quantities. In May 1898 Dewar produced 20 cm) of liquid hydrogen boiling quietly  in a vacuum­insulated tube, instead of a mist.  In 1895 two significant events in cryogenic technology occurred. Carl von  Linde, who had established the Linde Eismaschinen AG in 1879, was granted a basic  patent on air liquefaction in Germany. Although Linde was not the first to liquefy air,  he was one of the first to recognize the industrial implications of gas liquefaction and  to put these ideas into practice. Today the Linde Company is one of the leaders in  cryogenic engineering.  After  more  than  10  years  of  low­temperature  study,  Heike  Kamerlingh  Onnes established the Physical Laboratory at the University of Lei den in Holland in  1895.  Onnes'  first  liquefaction  of  helium  in  1908  was  a  tribute  both  to  his  experimental  skill  and  to  his  careful  planning.  He  had  only  360  liters  of  gaseous  helium obtained by heating monazite sand from India. More than 60 cm3  of liquid  helium  was  produced  by  Onnes  in  his  first  attempt.  Onnes  was  able  to  attain  a  temperature of 1.04 K in an unsuccessful attempt to solidify helium by lowering the  pressure above a container of liquid helium in 1910. 
  • 6. 7 The physicists at the Leiden laboratory were interested in investigating the  properties of materials at low temperatures and in checking natural principles known  to be valid at ambient temperatures, at cryogenic temperatures. It was in 1911, while  he was checking the various theories of electrical resistance of solids at liquid­helium  temperatures, that Onnes discovered that the electrical resistance of the mercury wire  on which he was experimenting suddenly decreased to zero. This event marked the  first observation of the phenomenon of superconductivity­the basis for many novel  devices used today.  In 1902 Georges Claude, a French engineer, developed a practical system  for air liquefaction in which a large portion of the cooling effect of the system was  obtained  through  the  use  of  an  expansion  engine.  Claude's  first  engines  were  reciprocating engines using leather seals (actually, the engines were simply modified  steam engines). During the same year, Claude established l'Air Liquide to develop  and produce his systems.  Although cryogenic engineering is considered a relatively new field in the  U.S., it must be remembered that the use of liquefied gases in U.S. industry began in  the early 1900s. Linde installed the first air­liquefaction plant in the United States in  1907, and the first American­made air­liquefaction plant was completed in 1912. The  first  commercial  argon­production  was  put  into  operation  in  1916  by  the  Linde  company  in  Cleveland,  Ohio.  In  1917  three  experimental  plants  were  built  by  the  Bureau  of  Mines,  with  the  cooperation  of  the  Linde  Company,  Air  Reduction  Company, and the Jefferies­Norton Corporation, to extract helium from natural gas  of Clay County,' Texas. The helium was intended for use in airships for World War I.  Commercial production of neon began in the United States in 1922, although Claude  had produced neon in quantity in France since 1907. On  16  March  1926,  Dr.  Robert  H.  Goddard  conducted  the  world's  first  successful flight of a rocket powered by liquid­oxygen­gasoline propellant on a farm  near Auhurn, Massachusetts. This first flight lasted only 2½ seconds, and the rocket  reached a maximum speed of only 22 m/s (50 mph). Dr. Goddard continued his work  during the 1930s and by 1941 he had brought his cryogenic rockets to a fairly high 
  • 7. 8 degree  of  perfection.  In  fact,  many  of  the  devices  used  in  Dr.  Goddard's  rocket  systems were used later in the German V­2 weapons system.  During that same year (1926), William Francis Giauque and Peter Debye  independently  suggested  the  adiabatic  demagnetization  method  for  obtaining  ultralow  temperatures  (less  than  0.1  K).  It  was  not  until  1933  that  Giauque  and  MacDougall at Berkeley and De Haas, Wiersma, and Kramers at Leiden made use of  the technique to reach temperatures from 0.3 K (Giauque and MacDougall) to 0.09 K  (De Haas et al.).  As  early  as  1898  Sir  James  Dewar  made  measurements  on  heat  transfer  through  evacuated  powders.  In  1910  Smoluchowski  demonstrated  the  significant  improvement  in  insulating  quality  that  could  be  achieved  by  using  evacuated  powders  in  comparison  with  unevacuated  insulations.  In  1937  evacuated­powder  insulations were first used in the United States in bulk storage of cryogenic liquids.  Two years later, the first vacuum powder­insulated railway tank car was built for the  transport of liquid oxygen.  The world became aware of some of the military implications of cryogenic  technology  in  1942  when  the  German  V  ­2  weapon  system  was  successfully  test­ fired at Peenemunde under the direction of Dr. Walter Dornberger. The V­2 weapon  system  was  the  first  large,  practical  liquid  propellant  rocket.  This  vehicle  was  powered by liquid oxygen and a mixture of 75 percent ethyl alcohol and 25 percent  water.  Around  1947  Dr.  Samuel  C.  Collins  of  the  department  of  mechanical  engineering at Massachusetts Institute of Technology developed an efficient liquid­ helium laboratory facility. This event marked the beginning of the period in which  liquid­helium  temperatures  became  feasible  and  fairly  economical.  The  Collins  helium cryostat, marketed by Arthur D. Little, Inc., was a complete system for the  safe,  economical  liquefaction  of  helium  and  could  be  used  also  to  maintain  temperatures at any level between ambient temperature and approximately 2 K.  The  first  buildings  for  the  National  Bureau  of  Standards  Cryogenic  Engineering Laboratory were completed in 1952. This laboratory was established to 
  • 8. 9 provide engineering data on materials of construction, to produce large quantities of  liquid  hydrogen  for  the  Atomic  Energy  Commission,  and  to  develop  improved  processes and equipment for the fast growing cryogenic field. Annual conferences in  cryogenic  engineering  have  been  sponsored  by  the  National  Bureau  of  Standards  (sometimes  sponsored  jointly  with  various  universities)  from  1954  (with  the  exception of 1955) to 1973. At the 1972 conference at Georgia Tech in Atlanta, the  Conference  Board  voted  to  change  to  a  biennial  schedule  alternating  with  the  Applied  Superconductivity  Conference.  This  schedule  has  been  followed  with  meetings  in  Kingston,  Ontario  in  1975,  Boulder  in  1977,  Madison,  Wisconsin  in  1979, San Diego, California in 1981, and Colorado Springs in 1983.  Early in 1956 work with liquid hydrogen was greatly accelerated when Pratt  and Whitney Aircraft was awarded a contract to develop a liquid hydrogen­fueled  rocket  engine  for  the  United  States  space  program.  The  following  year  the  Atlas  ICBM was successfully test­fired. The Atlas was powered by a liquid­oxygen­RP­l  propellant combination and had a sea level thrust of I. 7 MN (380,000 Ibf). At the  Cape Kennedy Space Center on 27 October 1961, the first flight test of the Saturn  launch vehicle was conducted. The Saturn V was the first space vehicle to use the  liquid hydrogen­liquid­oxygen propellant combination.  In 1966, Hall, Ford, and Thompson at Manchester, and Neganov, Borisov,  and  Liburg  at  Moscow  independently  succeeded  in  achieving  continuous  refrigeration  below  0.1  K  using  a  He3 ­He4   dilution  refrigerator.  This  new  refrigeration  technique  had  been  proposed  in  1951  by  H.  London.  The  dilution  refrigerator had certain advantages over the magnetic refrigerator, which relied on  the adiabatic demagnetization principle to achieve temperatures in the 0.01 K to 0.10  K  range.  Thus  considerable  research  effort  has  been  devoted  to  the  study  and  improvement of the dilution refrigerator. .  In  1969  a  3250­hp,  20D­rpm  superconducting  motor  (Fawley  motor)  was  constructed by the International Research and Development Co., Ltd., in England. In  1972  IRD  installed  a  superconducting  motor  in  a  ship  to  drive  the  electrical  propulsion system. 
  • 9. 10 This chronology of cryogenic technology is summarized in Table 1.1.  We see that cryogenics has grown from an interesting curiosity in the times  of Linde and Claude to a diversified, vital field of engineering.  1.3. Present areas involving cryogenic engineering  Present­day applications of cryogenic technology are widely varied, both in  scope and in magnitude. Some of the areas involving cryogenic engineering include:  1. Rocket  propulsion  systems.  All  the  large  United  States  launch  vehicles  use  liquid oxygen as the oxidizer. The Space Shuttle propulsion system uses both  cryogenic fluids, liquid oxygen, and liquid hydrogen.  2. Studies  in  high­energy  physics.  The  hydrogen  bubble  chamber  uses  liquid  hydrogen in the detection and study of high­energy particles produced in large  particle accelerators.  3. Electronics.  Sensitive  microwave  amplifiers,  called  masers,  are  cooled  to  liquid­nitrogen or liquid­helium· temperatures so that thermal vibrations of the  atoms of the amplifier element do not seriously interfere with absorption and  emission of microwave energy. CryogenicaIly cooled masers have been used in  missile detectors, in radio astronomy to listen to faraway galaxies, and in space  communication systems. Table 1.1. Chronology of cryogenic technology Year Event 1877 Cailletet and Pictet liquefied oxygen (Pictet 1892).  1879 Linde founded the Linde Eismaschinen AG. 1883 Wroblewski and Olszewski completely liquefied nitrogen and oxygen at the  Cracow University Laboratory (Olszewski 1895).  1884 Wroblewski produced a mist of liquid hydrogen.  1892 Dewar developed a vacuum­insulated vessel for cryogenic­fluid storage  (Dewar 1927).  1895 Onnes established the Leiden Laboratory. Linde was granted a basic patent on  air liquefaction in Germany.  1898 Dewar produced liquid hydrogen in bulk at the Royal Institute of London. 
  • 10. 11 1902 Claude established l'Air Liquide and developed an air­liquefaction system  using an expansion engine.  1907 Linde installed the first air­liquefaction plant in America. Claude produced  neon as a by­product of an air plant. 1908 Onnes liquefied helium (Onnes 1908).  1910 Linde developed the double­column air­separation system.  1911 Onnes discovered superconductivity (Onnes 1913).  1912 First American­made air­liquefaction plant completed.  1916 First commercial production of argon in the United States.  1917 First natural­gas liquefaction plant to produce helium.  1922 First commercial production of neon in the United States.  1926 Goddard test­fired the first cryogenically propelled rocket. Cooling by  adiabatic demagnetization independently suggested by Giauque and Debye.  1933 Magnetic cooling used to attain temperatures below I K.  1934 Kapitza designed and built the first expansion engine for helium. Evacuated­ powder insulation first used on a commercial scale in cryogenic­fluid storage  vessels. 1939 First vacuum­insulated railway tank car built for transport of liquid oxygen. 1942 The V­2 weapon system was test­fired (Dornberger 1954). The Collins  cryostat developed.  1948 First 140 ton/day oxygen system built in America.  1949 First 300 ton/day on­site oxygen plant for chemical industry completed.  1952 National Bureau of Standards Cryogenic Engineering Laboratory established  (Brickwedde 1960).  1957 LOX­RP­I propelled Atlas ICBM test­fired. Fundamental theory (BCS  theory) of superconductivity presented.  1958 High­efficiency multilayer cryogenic insulation developed (Black 1960).  1959 Large NASA liquid­hydrogen plant at Torrance, California, completed.  1960 Large­scale liquid­hydrogen plant completed at West Palm Beach, Rorida.  1961 Saturn launch vehicle test­fired.  1963 60 ton/day liquid­hydrogen plant completed by Linde Co. at Sacramento,  California.  1964 Two liquid­methane tanker ships designed by Conch Methane Services. Ltd.,  entered service. 
  • 11. 12 1966 Dilution refrigerator using HeJ­He' mixtures developed (Hall 1966; Neganov  1966). 1969 3250­hp de superconducting motor constructed (Appleton 1971). 1970 Liquid oxygen plants with capacities between 60,000 mJ/h and 70,000 mJ/h  developed. 1975 Record high superconducting transition temperature (23 K) achieved.  Tiny  superconducting  electronic  elements,  called  SQUIDs  (superconducting  quantum  interference  devices)  have  been  used  as  extremely  sensitive  digital  magnetometers  and  voltmeters.  These  devices  are  based  on  a  superconducting  phenomenon,  called  the  Josephson  effect,  which  involves  quantum  mechanical  tunneling  of  electrons  from  one  superconductor  to  another  through  an  insulating  barrier.  In addition to SQUIDs, other electronic devices that utilize superconductivity  in  their  operation  include  superconducting  amplifiers,  rectifiers,  transformers,  and  magnets.  Superconducting  magnets  have  been  used  to  produce  the  high  magnetic  fields required in MHD systems, linear accelerators, and tokamaks. Superconducting  magnets have been used to levitate high­speed trains at speeds up to 500 km/h.  4. Mechanical  design.  By  utilizing  the  Meissner  effect  associated  with  superconductivity, practically zero­friction bearings have been constructed that  use  a  magnetic  field  as  the  lubricant  instead  of  oil  or  air.  Superconducting  motors have been constructed with practically zero electrical losses for such  applications  as  ship  propulsion  systems.  Superconducting  gyroscopes  with  extremely small drift have been developed.  5. Space  simulation  and  high­vacuum  technology.  To  produce  a  vacuum  that  approaches that of outer space (from 10­12  torr to 10­14  torr), one of the more  effective methods involves low temperatures. Cryopumping or freezing out the  residual  gases,  is  used  to  provide  the  ultrahigh  vacuum  required  in  space  simulation chambers and in test chambers for space propulsion systems. The  cold of free space is simulated by cooling a shroud within the environmental  chamber by means of liquid nitrogen. Dense gaseous helium at less than 20 K 
  • 12. 13 or  liquid  helium  is  used  to  cool  the  cryopanels  that  freeze  out  the  residual  gases.  6. Biological  and  medical  applications.  The  use  of  cryogenics  in  biology,  or  cryobiology, has aroused much interest. Liquid­nitrogen­cooled containers are  used to preserve whole blood, tissue, bone marrow, and animal semen for long  periods  of  time.  Cryogenic  surgery  (cryosurgery)  has  been  used  for  the  treatment of Parkinson's disease, eye surgery, and treatment of various lesions.  This  surgical  procedure  has  many  advantages  over  conventional  surgery  in  several applications.  7. Food processing. Freezing as a means of preserving food was used as far back  as 1840. Today frozen foods are prepared by placing cartons on a conveyor belt  and moving the belt through a liquid­nitrogen bath or gaseous­nitrogen­cooled  tunnel.  Initial  contact  with  liquid  nitrogen  freezes  all  exposed  surfaces  and  seals  in  flavor  and  aroma.  The  cryogenic  process  requires  about  7  minutes  compared  with  30  to  48  minutes  required  by  conventional  methods.  Liquid  nitrogen has also been used as the refrigerant in frozen­food transport trucks  and railway cars.  8. Manufacturing  processes.  Oxygen  is  used  to  perform  several  important  functions  in  the  steel  manufacturing  process.  Cryogenic  systems  are  used  in  making ammonia. Pressure vessels have been formed by placing a preformed  cylinder in a die cooled to liquid­nitrogen temperatures. High­pressure nitrogen  gas is admitted into the vessel until the container stretches about 15 percent,  and  the  vessel  is  removed  from  the  die  and  allowed  to  warm  to  room  temperature. Through the use of this method, the yield strength of the material  has been increased 400 to 500 percent.  9. Recycling  of  materials.  One  of  the  more  difficult  items  to  recycle  is  the  automobile or truck tire. By freezing the tire in liquid nitrogen, tire rubber is  made brittle and can be crushed into small particles. The tire cord and metal  components in the original tire can be separated easily from the rubber, and the 
  • 13. 14 rubber  particles  can  be  used  again  for  other  items.  At  present  the  cryogenic  technique is the only effective one to recover the rubber from steel radial tires.  These  are  a  few  of  the  areas  involving  cryogenic  engineering­a  field  in  which new developments are continually being made. 
  • 14. 15 MODULE II  LOW­TEMPERATURE PROPERTIES OF  ENGINEERING MATERIALS  Familiarity with the properties and behavior of materials used in any system  is  essential  to  the  design  engineer.  At  first  thought,  one  might  suppose  that  by  observing  the  variation  of  material  properties  at  room  temperature  he  could  extrapolate  this  information  down  through  the  relatively  small  temperature  range  involved in cryogenics (some 300°C) with fair confidence. In some cases, such as for  the elastic constants, this may be done with acceptable accuracy. On the other hand,  there are several significant effects that appear only at very low temperatures. Some  examples of these effects include the vanishing of specific heats, superconductivity,  and  ductile­brittle  transitions  in  carbon  steel.  None  of  these  phenomena  can  be  inferred from property measurements made at near­ambient temperatures.  In  this  chapter,  we  shall  investigate  the  physical  properties  of  some  engineering  materials  commonly  used  in  cryogenic  engineering.  The  primary  purpose  of  the  chapter  is  to  examine  the  effect  of  variation  of  temperature  on  material properties in the cryogenic temperature range and to become familiar with  the properties and behavior of materials at low temperatures.  MECHANICAL PROPERTIES  2.1. Ultimate and yield strength  For many materials, there is a definite value of stress at which the strain of  the material in a simple tensile test begins to increase quite rapidly with increase in  stress. This value of stress is defined as the yield strength Sy of the material. For  other  materials  that  do  not  exhibit  a  sharp  change  in  the  slope  of  the  stress­strain  curve, the yield strength is defined as the stress required to permanently deform the  material in a simple tensile test by 0.2 percent (sometimes 0.1 percent is used). The  ultimate strength Su of a material is defined as the maximum nominal stress attained  during  a  simple  tensile  test.  The  temperature  variation  of  the  ultimate  and  yield  strengths of several engineering materials is shown in Figs. 2.1 and 2.2. 
  • 15. 16 Fig.2.1. Ultimate strength for several engineering materials: (I) 2024­T4 aluminum;  (2) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; (5) 304 stainless steel; (6) CI020  carbon steel; (7) 9 percent Ni steel; (8) Teflon; (9) Invar­36 (Durham et al. 1962).  Many  engineering  materials  are  alloys,  in  which  alloying  materials  with  atoms  of  different  size  from  those  of  the  basic  material  are  added  to  the  basic  material;  for  example,  carbon  is  added  to  iron  to  produce  carbon  steel.  If  the  alloying­element atoms are smaller than the atoms of the basic material, the smaller  atoms tend to migrate to regions around dislocations in the metal. The presence of  the smaller atoms around the dislocation tends to "pin" the dislocation in place or  make  dislocation  motion  more  difficult  (Wigley  1971).  The  yielding  process  in  alloys takes place when a stress large enough to pull many dislocations away from  their  "atmosphere"  of  alloying  atoms  is  applied.  Plastic  deformation  or  yielding  occurs because of the gross motion of these dislocations through the material.  As  the  temperature  is  lowered,  the  atoms  of  the  material  vibrate  less  vigorously. Because of the decreased thermal agitation of the atoms, a larger applied  stress is required to tear dislocations from their atmosphere of alloying atoms. From 
  • 16. 17 this  line  of  reasoning,  we  should  expect  that  the  yield  strength  for  alloys  would  increase as the temperature is decreased. This has been found to be true for most  engineering materials.   Fig. 2.2. Yield strength for several engineering materials: (1) 2024­ T4 aluminum:  (2) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; (5) 304 stainless steel; (6) CI020  carbon steel; (7) 9 percent Ni steel; (8) Teflon; (9) Invar­36 (Durham et al. 1962).  2.2. Fatigue strength  There are several ways to express the resistance of a material to stresses that  vary with time, but the most common method is a simple reversed bending test The  stress required for failure after a given number of cycles is called the fatigue strength  Sf. Some materials, such as carbon steels and aluminum­magnesium alloys, have the  property  that  the  fatigue  failure  will  not  occur  if  the  stress  is  maintained  below  a  certain value, called the endurance limit Se, no matter how many cycles have elapsed. 
  • 17. 18 The temperature variation of the fatigue strength at 106  cycles for several materials is  shown in Fig. 2.3.  Because of the time involved to complete a test, fatigue data at cryogenic  temperatures  are  not  as  extensive  as  ultimate­strength  and  yield  strength  data;  however, for the materials that have been tested, it has been found that the fatigue  strength increases as the temperature is decreased.  Fig.  2.3.  Fatigue  strength  at  1()6  cycles:  (I)  2024­  T4  aluminum;  (2)  beryllium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  CI020  carbon  steel  (Durham et al. 1962).  Fatigue  failure  generally  occurs  in  three  stages  for  the  case  of  more  than  about 10) cycles: microcrack initiation, slow crack growth until a critical crack size  is  achieved,  and  the  final  rapid  failure  either  by  ductile  rupture  or  by  cleavage.  Microcrack  initiation  usually  occurs  at  the  surface  of  the  specimen  as  a  result  of  inhomogeneous shear deformation or at small flaws near the surface. The growth of  the microcracks occurs as the material fails at the high­stress region around the tip of 
  • 18. 19 the crack. As the temperature of a material is decreased, a larger stress is required to  extend  the  crack;  therefore,  we  should  expect  to  observe  that  the  fatigue  strength  increases as the temperature is decreased.  For aluminum alloys, it has been found (De Money and Wolfer 1961) that  the  ratio  of  fatigue  strength  to  ultimate  strength  remains  fairly  constant  as  the  temperature is lowered. This fact may be used in estimating the fatigue strength for  nonferrous materials at cryogenic temperatures if no fatigue data are available at the  low temperatures.  2.3. Impact strength  The Charpy and the Izod impact tests give a measure of the resistance of a  material to impact loading. These tests indicate the energy absorbed by the material  when it is fractured by a suddenly applied force. Charpy impact strength of several  materials is shown in Fig. 2.4.  Fig.  2.4.  Charpy  impact  strength  at  low  temperatures:  (I)  2024·T4  aluminum;  (2)  beryl·  lium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  CI020  carbon steel; (7) 9 percent Ni steel (Durham et al. 1962). 
  • 19. 20 A ductile­brittle transition occurs in some materials, such as carbon steel, at  temperatures  ranging  from  room  temperature  down  to  78  K,  which  results  in  a  severely  reduced  impact  strength  at  low  temperatures.  The  impact  behavior  of  a  metal is largely determined by its lattice structure. The face­centered­cubic (FCC)  lattice  has  more  slip  planes  available  for  plastic  deformation  than  does  the  body­ centered­cubic  (BCC)  lattice.  In  addition,  interstitial  impurity  atoms  interact  only  with edge dislocations to retard slipping in the FCC structure; whereas, both edge  and screw dislocations can become pinned in the BCC structure. The metals with a  FCC lattice or hexagonal lattice tend to fail by plastic deformation in the impact test  (thereby absorbing a relatively large amount of energy before breaking) and retain  their  resistance  to  impact  as  the  temperature  is  lowered.  The  metals  with  a  BCC  lattice  tend  to  reach  a  temperature  at  which  it  is  more  energetically  favorable  to  fracture by cleaving (thereby absorbing a relatively small amount of energy). Thus  these materials become brittle at low temperatures.  Most  plastics  and  rubber  materials  become  brittle  upon  cooling  below  a  transition temperature also. Two notable exceptions are Teflon and Kel­F.  2.4. Hardness and ductility  The ductility of materials is usually indicated by the percentage elongation  to failure or the reduction in cross­sectional area of a specimen in a simple tensile  test.  The  accepted  dividing  line  between  a  brittle  material  and  'a  ductile  one  is  5  percent elongation or a strain of 0.05 cm/cm at failure. Materials that elongate more  than  this  value  before  failure  are  called  ductile;  those  with  less  than  5  percent  elongation  are  called  brittle.  The  ductility  of  several  materials  as  a  function  of  temperature is shown in Fig. 2.5.  For  materials  that  do  not  exhibit  a  ductile­to­brittle  transition  at  low  temperatures, the ductility usually increases somewhat as the temperature is lowered.  For the carbon steels, which do have a low­temperature transition, the elongation at  failure drops from 25 to 30 percent for the softer steels down to 2 or 3 percent during  the transition. Obviously, these materials should not be used at low temperatures in  any applications in which ductility is important. 
  • 20. 21 Hardness of metals is measured by the indention made in the surface of the  material  by  a  standard  indenter.  Common  hardness  tests  include  (1)  Brinell  (ball  indenter),  (2)  Vickers  (diamond  pyramid  indenter),  and  (3,  Rockwell  (ball  or  diamond indenter with various loads). In general, the hardness of metals as measured  by any of these means is directly proportional to the ultimate strength of the material;  therefore, the hardness increases as the temperature is decreased. This proportionality  is to be expected because a penetration test is essentially a miniature tensile test.  Fig.  2.5.  Percent  elongation  for  various  materials:  (I)  2024­T4  aluminum;  (2)  beryllium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  C1020  carbon steel; (7) 9 percent Ni steel (Durham et al. 1962).  2.5. Elastic moduli  There are three commonly used elastic moduli: (1) Young's modulus E. the  rate of change of tensile stress with respect to strain at constant temperature in the  elastic region; (2) shear modulus G. the rate of change of shear stress with respect to  shear strain at constant temperature in the elastic region; and (3) bulk modulus B, the  rate of change of pressure (corresponding to a uniform three­dimensional stress) with  respect  to  volumetric  strain  (change  in  volume  per  unit  volume)  at  constant  temperature.  If  the  material  is  isotropic  (many  polycrystalline  materials  can  be 
  • 21. 22 considered  isotropic  for  engineering  purposes),  these  three  moduli  are  related  through Poisson's ratio v, the ratio of strain in one direction due to a stress applied  perpendicular to that direction to the strain parallel to the applied stress: E B 3(1 2)    (2.1) E G 2(1 )    (2.2) Fig.  2.6.  Young's  modulus  at  low  temperatures:  (I)  2024­  T  4  aluminum;  (2)  beryllium  copper;  (3)  K  Monel;  (4)  titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  ClO20  carbon steel; (7) 9 percent Ni steel (Durham et al. 1962).  The variation of Young's modulus with temperature for several materials is  given in Fig. 2.6.  As the temperature is decreased, interatomic and intermolecular forces tend  to  increase  because  of  the  decrease  in  the  disturbing  influence  of  atomic  and  molecular  vibrations.  Because  elastic  reaction  is  due  to  the  action  of  these  intermolecular  and  interatomic  forces,  one  would  expect  the  elastic  moduli  to 
  • 22. 23 increase  as  the  temperature  is  decreased.  In  addition,  it  has  been  found  experimentally that Poisson's ratio for isotropic materials do not change appreciably  with  change  in  temperature  in  the  cryogenic  range;  therefore,  all  three  of  the  previously mentioned elastic moduli vary in the same manner with temperature.  THERMAL PROPERTIES  2.6. Thermal conductivity  The thermal conductivity kt of a material is defined as the heat­transfer rate  per  unit  area  divided  by  the  temperature  gradient  causing  the  heat  transfer.  The  variation of thermal conductivity of several solids is shown in Fig. 2.7. Values of the  thermal  conductivity  of  cryogenic  liquids  and  gases  are  given  in  Appendixes  B  through E.  Fig.  2.7.  Thermal  conductivity  of  materials  at  low  temperatures:  (ll  2024­T4  aluminum: (3) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium; (5) 304 stainless steel;  (6) C1020 carbon steel; (7) pure copper; (8) Teflon (Stewart and Johnson 1961). 
  • 23. 24 To  understand  the  variation  of  thermal  conductivity  at  low  temperatures,  one  must  be  aware  of  the  different  mechanisms  for  transport  of  energy  through  materials.  There  are  three  basic  mechanisms  responsible  for  conduction  of  heat  through  materials:  (l)  electron  motion,  as  in  metallic  conductors;  (2)  lattice  vibrational energy transport, or phonon motion, as in all solids; and (3) molecular  motion,  as  in  organic  solids  and  gases.  In  liquids,  the  primary  mechanism  for  conduction heat transfer is the transfer of molecular vibrational energy; whereas in  gases, heat is conducted primarily by transfer of translational energy (for monatomic  gases) and translational and rotational energy (for diatomic gases).  U sing principles of kinetic theory of gases (Eucken 1913), we may obtain a  theoretical  expression  relating  the  thermal  conductivity  to  other  properties  of  the  material:  tk 1 8(9 5) C     where   = specific heat ratio   = density of material  Cv = specific heat at constant volume  v = average particle velocity  A = mean free path of particles, or average distance a particle travels before  it is deflected  For  all  gases  the  thermal  conductivity  decreases  as  the  temperature  is  lowered. Because the product of density and mean free path for a gas is practically  constant, and the specific heat is not a strong function of temperature, the thermal  conductivity of a gas should vary with temperature in the same manner as the mean  molecular speed u, as indicated by eqn. (2.3). From kinetic theory of gases (Present  1958), the mean molecular speed is given by  1 2 c8g RT      
  • 24. 25 where gc is the conversion factor in Newton's law (gc = 1 kg­m/N­s2  in the SI system  of units; gc = 32.174 Ibm­ft/lbrsec2  in the British system of units), R is the specific gas  constant  for  the  particular  gas  (R  =  Ru/M,  where  Ru  is  the  universal  gas  constant,  8.31434 J/mol­K or 1545 ft­lbf/lbmole­o R, and M is the molecular weight of the gas),  and T is the absolute temperature of the gas. A decrease in temperature results in a  decrease  in  the  mean  molecular  speed  and,  consequently,  a  decrease  in  the  gas  thermal conductivity.  All  cryogenic  liquids  except  hydrogen  and  helium  have  thermal  conductivities  that  increase  as  the  temperature  is  decreased.  Liquid  hydrogen  and  helium  behave  in  a  manner  opposite  to  that  of  other  liquids  in  the  cryogenic  temperature range.  For heat conduction in solids, the thermal conductivity is related to other  properties by an expression similar to that for gases,  1 t 3k C   (2.5)  Energy  is  transported  in  metals  by  both  electronic  motion  and  phonon  motion;  however,  in  most  pure  electric  conductors,  the  electronic  contribution  to  energy  transport  is  by  far  the  larger  for  temperatures  above  liquid­nitrogen  temperatures.  The  electronic  specific  heat  is  directly  proportional  to  absolute  temperature (see Sec. 2.7), and the electron mean free path in this temperature range  is  inversely  proportional  to  absolute  temperature.  Because  the  density  and  mean  electron speed are only weak functions of temperature, the thermal conductivity of  electric  conductors  above  liquid­nitrogen  temperatures  is  almost  constant  with  temperature,  as  would  be  predicted  by  eqn.  (2.5).  As  the  absolute  temperature  is  lowered below liquid­nitrogen temperatures, the phonon contribution to the energy  transport  becomes  significant.  In  this  temperature  range,  the  thermal  conductivity  becomes approximately proportional to T­2  for pure metals. The thermal conductivity  increases to a very high maximum as the temperature is lowered, until the mean free  path of the energy carriers becomes on the order of the dimensions of the material  sample.  When  this  condition  is  reached,  the  boundary  of  the  material  begins  to  introduce a resistance to the motion of the carriers, and the carrier mean free path 
  • 25. 26 becomes  constant  (approximately  equal  to  the  material  thickness).  Because  the  specific  heat  decreases  to  zero  as  the  absolute  temperature  approaches  zero,  from  eqn. (2.5) we see that the thermal conductivity would also decrease with a decrease  in temperature in this very low temperature region.  In disordered alloys and impure metals, the electronic contribution and tire.  phonon contribution to energy transport are of the same order of magnitude. There is  an additional scattering of the energy carriers due to the presence of impurity atoms  in  impure  metals.  This  scattering  effect  is  directly  proportional  to  absolute  temperature. Dislocations in the material provide a scattering that is proportional to  T2 ,  and  grain  boundaries  introduce  a  scattering  that  is  proportional  to  T3   at  temperatures much lower than the Debye temperature. All these effects combine to  cause  the  thermal  conductivity  of  allays  and  impure  metals  to  decrease  as  the  temperature  is  decreased,  and  the  high  maximum  in  thermal  conductivity  is  eliminated in alloys.  2.7. Specific heats of solids  The specific heat of a substance is defined as the energy required to change  the temperature of the substance by one degree while the pressure is held constant  (c )  or  while  the  volume  is  held  constant  (cv).  For  solids  and  liquids  at  ordinary  pressures,  the  difference  between  the  two  specific  heats  is  small,  while  there  is  considerable  difference  for  gases.  The  variation  of  the  specific  heats  with  temperature  gives  an  indication  of  the  way  in  which  energy  is  being  distributed  among the various modes of energy of the substance on a microscopic level.  Specific heat is a physical property that can be predicted fairly accurately by  mathematical models through statistical mechanics and quantum theory. For solids  the Debye model gives a satisfactory representation of the variation of the specific  heat with temperature. In this model, Debye assumed that the solid could be treated  as a continuous medium, except that the number of vibrational waves representing  internal energy must be limited to the total number of vibrational degrees of freedom  of the atoms making up the medium­that is, three times the total number of atoms.  The  expression  for  the  specific  heat  of  a  monatomic  crystalline  solid  as  obtained  through the Debye theory is 
  • 26. 27 D/T 3 4 x 3 x 20 D DD 9RT x e dx T T C 3R D (e 1)                     (2.6)          where  8D is called the Debye characteristic temperature and is a property of the material,  and D(T/ D) is called the Debye function. A plot of the specific heat as given by eqn.  (2.6) is shown in Fig. 2.8, and the Debye specific­heat function is tabulated in Table  2.1. Values of  D for several substances are given in Table 2.2.  Fig. 2.8. The Debye specific heat function.
  • 27. 28 Table 2.1. Debye specific heat function T/ D Cv/R T/ D Cv/R T/ D Cv/R 0.08 0.09 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.1191 0.1682 0.2275 0.3733 0.5464 0.7334 0.9228 1.1059 1.5092 1.8231 2.0597 2.2376 0.45 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 2.3725 2.4762 2.6214 2.7149 2.7781 2.8227 2.8552 2.8796 2.8984 2.9131 2.9248 2.9344 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 4.00 5.00 2.9422 2.9487 2.9542 2.9589 2.9628 2.9692 2.9741 2.9779 2.9810 2.9834 2.9844 2.9900 The theoretical expression for the Debye temperature is given by 1 3 a D h 3N k 4 V          (2.7) where h = Planck’s constant va = speed of sound in the solid k = Boltzmann’s constant N/V = number of atoms per unit volume for the solid. 2.8 Specific Heat of Liquids and Gases In general, the specific heat Cv of cryogenic liquids decreases in the same  way  that  the  specific  heat  of  crystalline  solids  decreases  as  the  temperature  is  lowered.  At  low  pressures  the  specific  heat  cp  decreases  with  a  decrease  in  temperature also. At high pressures in the neighborhood of the critical point, humps  in the specific­heat curve are observed for all cryogenic fluids (and in fact for all  fluids). From thermodynamic reasoning we know that the difference in specific heats  for a pure substance is given by 
  • 28. 29 P P p C C T T T                   (2.10) In the vicinity of the critical point, the coefficient of thermal expansion  P 1 T          becomes quite large; therefore, one would expect large increases of the specific heat  cp in the vicinity of the critical point also.  The specific heat of liquid helium behaves in a peculiar way­it shows a high,  sharp peak in the neighborhood of 2.17 K (3.91o R). The behavior of liquid helium is  so different from that of other liquids that we shall devote a separate section to a  discussion of its properties.  Gases at pressures low compared with their critical pressure approach the  ideal­gas state, for which the specific heat Cu is independent of pressure. According  to the classical equipartition theorem, the specific heat of a material is given by  Cv = ½Rf (2.11) where f is the number of degrees of freedom of a molecule making up the material.  For  monatomic  gases,  the  only  significant  mode  of  energy  is  translational  kinetic  energy of the molecules, which involves three degrees of freedom. From eqn. (2.11)  the specific heat Cv for such monatomic gases as neon and argon in the ideal­gas state  is Cv = 3 /2R. In diatomic gases, other modes are possible. For example, if we consider  a "rigid­dumbbell" model of a diatomic molecule such as nitrogen (i.e., we neglect  vibration of the molecule), there are three translational degrees of freedom plus two  rotational degrees of freedom. We consider only two rotational degrees of freedom  because the moment of inertia of the molecule about an axis through the centers of  the  two  atoms  making  up  the  molecule  is  negligibly  small  compared  with  the  momel1t of inertia about an axis perpendicular to the interatomic axis. From eqn.  (2.11)  the  specific  heat  Cv  for  the  rigid­dumbbell  model  of  an  ideal  diatomic  gas  would be Cv = 5 /2R. This is true for most diatomic gases at ambient temperatures, at  which the gases obey classical statistics. Because the molecules in a diatomic gas are  not truly rigid dumbbells, we should also expect to have vibrational modes present, 
  • 29. 30 in  which  the  two  molecules  vibrate  around  an  equilibrium  position  within  the  molecule under the influence of the interatomic forces holding the molecule together.  In  this  case,  two  more  degrees  of  freedom  due  to  the  vibrational  mode  would  be  present, so the specific heat for a vibrating­dumbbell molecule would be Cv = ~R  according to the classical theory.  In  the  actual  case,  the  rotational  and  vibrational  modes  are  quantized,  so  they are not excited if the temperature is low enough. The variation of the specific  heat of diatomic hydrogen gas with temperature is illustrated in Fig. 2.9. At very low  temperatures, only the translational modes are excited, so the specific heat Cv takes  on the value 3 /2R, the same as that of a monatomic gas. To determine whether the  rotational modes will be excited, one must compare the temperature of the gas with a  characteristic rotation temperature  r, defined by  2 r 2 h 8 Ik    (2.12) where h = Planck's constant  I = moment of inertia of the molecule about an axis perpendicular to the  interatomic axis  k = Boltzmann's constant  If  the  temperature  is  less  than  about  1 /3 r  the  rotational  mode  is  not  appreciably  excited; if the temperature is greater than about 3 r, the rotational mode is practically  completely excited. Most diatomic gases become liquids at temperatures higher than  3 r; however, H2, D2, and HD are exceptions to this statement. Because of the small  moment of inertia of the hydrogen molecule, the characteristic rotation temperature  is  quite  a  bit  above  the  liquefaction  temperature  for  hydrogen  ( r  =  85.4  K  or  153.7o R  for  hydrogen,  so  3 ,  =  256.2  K  or  461.1o R).  The  specific  heat  Cv  of  hydrogen  gas  rises  from  3 /2R  at  temperatures  below  about  30  K  (54°R)  to  5 /2R  at  temperatures above 255 K (459°R). 
  • 30. 31 The  vibrational  modes  for  a  diatomic  gas  are  also  quantized  and  become  excited  at  temperatures  on  the  order  of  a  characteristic  vibration  temperature  v  defined by  h k    f (2.13)                    Fig. 2.9. Variation of the specific heat c, for hydrogen gas. where  fv  is  the  vibrational  frequency  of  the  molecule.  The  characteristic  vibration  temperature for gases is much higher than cryogenic temperatures, so the vibrational  mode is not excited for gases at cryogenic temperatures ( v = 6100 K or 1O,980o R  for hydrogen gas).  The change in the specific heat of hydrogen between 30 K and 255 K is  important for hydrogen liquefiers and hydrogen­cooled helium liquefiers because it  affects the effectiveness of the heat exchangers, as we shall see in Chap. 3.  At pressures higher than near ambient, the specific heats of gases vary in a  more complicated manner with temperature and pressure. A complete coverage of  this effect is beyond the scope of our present discussion.  2.9. Coefficient of thermal expansion  The  volumetric  coefficient  of  thermal  expansion    is  defined  as  the  fractional change in volume per unit change in temperature while the pressure on the 
  • 31. 32 material remains constant. The linear coefficient of thermal expansion  t is defined  as  the  fractional  change  in  length  (or  any  linear  dimension)  per  unit  change  in  temperature while the stress on the material remains constant. For isotropic materials,   = 3 t. The temperature variation of the linear coefficient of thermal expansion  for several materials is shown in Fig. 2.10.  The temperature variation of the coefficient of thermal expansion may be  explained  through  a  consideration  of  the  intermolecular  forces  of  a  material.  The  intermolecular  potential­energy  curve,  as  shown  in  Fig.  2.11,  is  not  symmetrical.  Therefore, as the molecule acquires more energy (or as its temperature is increased),  its  mean  position  relative  to  its  neighbors  becomes  larger;  that  is,  the  material  expands. The rate at which the mean spacing of the atoms increases with temperature  increases as the energy or temperature of the material increases; thus, the coefficient  of thermal expansion increases as temperature is increased.  Fig.  2.10.  Linear  coefficient  of  thermal  expansion  for  several  materials  at  low  temperature: (I) 2024­T4 aluminum; (2) beryllium copper; (3) K Monel; (4) titanium;  (5)  304  stainless  steel;  (6)  C1020  carbon  steel  (NBS  Monograph  29,  Thermal  Expansion of Solids at Low Temperatures). 
  • 32. 33 Since  both  the  specific  heat  and  the  coefficient  of  thermal  expansion  are  associated  with  intermolecular  energy,  one  might  expect  to  find  a  relationship  between the two properties. For crystalline solids, the Gruneisen relation expresses  this interdependence:  GC B     (2.14) where    is  the  density  of  the  material,  B  is  the  bulk  modulus,  and  G  is  the  Gruneisen constant, which is independent of temperature as a first approximation.  Values of the Gruneisen constant for some materials are presented in Table 2.4.  Table 2.4. Values of the Gruneisen constant for selected solids Material G Aluminum  2.17 Copper  1.96 Gold  2.40 Iron  1.60 Lead  2.73 Nickel  1.88 Platinum  2.54 Silver  2.40 Tantalum  1.75 Tungsten  1.62 We have seen previously that the bulk modulus B is not strongly dependent  upon temperature for solids (it increases somewhat as the temperature is decreased);  therefore,  the  coefficient  of  thermal  expansion  for  solids  should  vary  with  temperature in the same way that the Debye specific heat varies with temperature.  This general variation has been found true experimentally. At very low temperatures  (T <  D/12), the coefficient of thermal expansion is proportional to T3 •  ELECTRIC AND MAGNETIC PROPERTIES  2.10. Electrical conductivity  The electrical conductivity k, of a material is defined as the electric current  per  unit  cross­sectional  area  divided  by  the  voltage  gradient  in  the  direction  of  current  flow.  The  electrical  resistivity  re  is  the  reciprocal  of  the  electrical 
  • 33. 34 conductivity.  The  variation  with  temperature  of  the  electrical  resistivity  of  several  materials is shown in Fig. 2.12.  Fig.2.11. Variation of the intermolecular potential energy for a pair of molecules. At  absolute zero, the molecular spacing would be r0.  When  an  external  electric  field  is  applied  to  an  electric  conductor,  free  electrons in the conductor are forced to move in the direction of the applied field.  This motion is opposed by the positive ions of the metal lattice and impurity atoms  present in the material. Decreasing the temperature of the conductor decreases the  vibrational energy of the ions, which in turn results in a smaller interference with  electron motion. Therefore, the electrical conductivity increases as the temperature is  lowered for metallic conductors.  One  of  the  first  theories  of  electric  resistance  was  developed  by  Drude  (Kittel 1956), who treated the free electrons as an "electron gas." He obtained the  following expression for the electrical conductivity: 
  • 34. 35 2 e e (N / V)e k m    (2.15) where N/V = number of free electrons per unit volume  e = charge of an electron   = electron mean free path  me = mass of an electron    = average speed of an electron  Equation  (2.15)  gives  the  correct  order  of  magnitude  for  the  electrical  conductivity of a metal such as silver at room temperature if we assume that N/V is  on the order of the number of valence electrons per unit volume,   is on the order of  the  interatomic  spacing,  and  the  mean  electron  kinetic  energy  is  given  by  2 3 e 2½m kT  ,  according  to  classical  theory.  In  order  to  obtain  the  correct  temperature dependence for the electrical conductivity from eqn. (2.15), however, we  must assume that the electron mean free path is inversely proportional to T ½  because  the  electrical  conductivity  is  approximately  inversely  proportional  to  absolute  temperature.  An application of quantum mechanics and band theory to the problem of  prediction of the electrical conductivity does not result in an equation different from  eqn.  (2.15);  however,  it  does  allow  us  to  predict  the  correct  relationships  for  the  electron velocity and mean free path. According to the quantum­mechanical picture,  the velocity appearing in eqn. (2.15) is the average velocity of the electrons near the  so­called  Fermi  surface  of  the  metal.  For  ordinary  temperatures  this  velocity  is  practically constant: 1 3n F e e h 3 N 2 m 2 m            (2.16)
  • 35. 36 Fig.  2.12.  Electrical  resistivity  ratio  for  several  materials  at  low  temperatures:  (1)copper; (2) silver; (3) iron; (4) aluminum (Stewart and Johnson 1961).  2.11. Superconductivity One  of  the  properties  of  certain  materials  that  appears  only  at  very  low  temperatures  is  superconductivity  ­  the  simultaneous  disappearance  of  all  electric  resistance and the appearance of perfect diamagnetism. In the absence of a magnetic  field,  many  elements,  alloys,  and  compounds  become  superconducting  at  a  fairly  well­defined  temperature,  called  the  transition  temperature  in  zero  field  T0.  Superconductivity  can  be  destroyed  by  increasing  the  magnetic  field  around  the  material  to  a  large  enough  value.  The  magnetic  field  strength  required  to  destroy  superconductivity is called the critical field HC. For Type I superconductors, there is  a single value of the critical field at which the transition from superconducting to  normal  behavior  is  abrupt.  For  Type  II  superconductors  (so­called  "hard"  superconductors), there is a lower critical field HC1, at which the transition begins, 
  • 36. 37 and an upper critical field HC2 at which the transition is complete. Table 2.5 lists the  critical field at absolute zero H0 and the transition temperature for several materials.  Note that some alloys are superconductors even though the pure elements making up  the alloys are not superconductors.  For Type I specimens in the shape of a long cylinder or wire placed parallel  10 the applied magnetic field, the critical field is well defined at every temperature  and is a function of temperature. The critical field may be related approximately to  the absolute temperature by  2 C 0 0H H [1 (T / T ) ]  (2.24) Although  the  parabolic  relationship  is  not  exactly  true,  it  is  adequate  for  many purposes.  The  phenomenon  of  superconductivity  was  discovered  by  Kamerlingh  Onnes in 1911 while investigating the electric resistance of mercury wire. After its  discovery,  this  new  state  of  matter  became  the  object  of  investigation  by  several  theoretical  and  experimental  physicists  to  determine  the  properties  of  superconductors and to try to explain the basic mechanism of the phenomenon. The  early attempts to develop a thermodynamic theory were unsuccessful because it was  assumed  that  any  magnetic  field  present  within  the  material  in  the  normal  state  remained frozen­in when the substance became superconducting.  Gorter  (1933)  applied  the  principles  of  reversible  thermodynamics  to  the  superconducting phenomenon and obtained results that were in excellent agreement  with experimental measurements. This caused quite a bit of discussion because many  investigators thought that the transition was not thermodynamically reversible. In the  same year, this matter was cleared up somewhat by an experiment by Meissner and  Ochsenfeld  (1933).  They  cooled  a  monocrystal  of  tin  in  a  magnetic  field  until  it  became superconducting and found that the magnetic field was expelled from within  the material when the sample became superconducting, as shown in Fig. 2.13. The  results  of  the  Meissner­Ochsenfeld  experiment  indicated  that  the  magnetic  flux  density within a bulk superconducting material (Type I) was always zero, no matter  what value of magnetic flux density existed within the material before the transition. 
  • 37. 38 Superconductivity was shown to be a case not only of zero electric resistance but  also  of  perfect  magnetic  insulation.  The  Meissner  effect  as  the  expulsion  of  the  magnetic field when a material becomes superconducting is called, forms the basis  for the frictionless bearing and superconducting motor.  Fig. 2.13. The Meissner effect. When a material is normal, the magnetic flux lines  can  penetrate  the  material.  When  the  material  becomes  superconducting,  the  magnetic field is expelled from thin the material.  Shortly after the discovery of the Meissner effect, two "phenomenological  theories" of superconductivity were proposed. Gorter and Casimir (1934) proposed a  two­fluid model, in which two types of electrons took part in the electric current­the  normal or "uncondensed" ones and the superconducting or "condensed" ones. This  model was used to predict thermodynamic properties of superconductors with good  success. Fritz and Heinz London (1935) proposed an electromagnetic theory that, in  conjunction  with  the  classical  Maxwell  equations  of  electromagnetism,  predicted  many of the electric and magnetic properties of superconductors. The results of the  calculations  made  by  the  Londons  showed  that  the  magnetic  field  actually  did  penetrate the surface of a superconductor for a very small distance (on the order of  0.1  m) called the penetration depth. The results also predicted that extremely thin  superconductors should have much higher critical fields than thick ones. Kropschot  and Arp (1961) suggested that this property of thin superconducting films could be  used in high­field, thin­film superconducting magnets.  Both the theory of the Londons and the theory of Gorter­Casimir predicted  many of the properties of superconductors, but the theories did not explain the "why" 
  • 38. 39 of the phenomenon. It was not until 1950 that an acceptable fundamental theory of  superconductivity was suggested. Frolich (1950) and Bardeen (1950) independently  proposed a mechanism involving the interaction of electrons in the superconductor.  Their ideas were developed into the BCS theory in 1957 by Bardeen, Cooper, and  Schrietfer (1957). They applied the quantum theory to pairs of electrons produced by  a special electron­lattice interaction. This process may be visualized as one in which  the first electron moving through the lattice causes a slight displacement of the ions,  which results in a positive screening charge slightly greater than the charge of the  electron. The second electron is then attracted toward the net positive charge region.  A correlation exists between all the pairs of electrons in the superconductor, and a  finite  amount  of  energy  is  required  to  break  up  the  pair,  corresponding  to  the  so­ called energy gap for the superconductor. As the temperature is increased above the  threshold  value,  enough  energy  is  available  to  uncouple  the  electron  pair,  and  the  material becomes normal.  Ginzburg  and  Landau  (1950)  developed  a  phenomenological  theory  that  explained the difference between the Type I and Type II superconductors in terms of  a  parameter  k,  which  was  related  to  the  surface  energy  of  the  material.  Those  materials for which k is less than 1/ 2  have a positive surface energy and are Type  I  superconductors.  On  the  other  hand,  those  materials  for  which  k  is  greater  than  1/ 2  have a negative surface energy and are Type II superconductors. This theory  of  superconductivity  is  now  known  as  the  GLAG  theory  after  the  four  Russian  contributors: Ginzburg, Landau, Abrikosov, and Gor’kov. Based on the concepts of  the theory, relationships between the parameter K and the upper and lower critical  fields were established.  C C1 H (0.081 ln k) H k 2  (2.26) and C2 CH 2 kH From a practical standpoint, eqn. (2.27) indicates that materials with a large  value of K will have a high value of the upper critical field HC2. 
  • 39. 40 For materials which have a relative permeability of approximately unity, the  magnetic induction   and the magnetization M are related by   =  0(H+M) (2.28) For Type I superconductors, the magnetic induction is zero, and H = –M.  At. The behavior of Type II superconductors is similar, for fields less than the lower  critical  field  HC1.  For  higher  magnetic  fields,  the  field  begins  to  penetrate  the  material, and the behavior of the material is shown in Fig. 2.14.  There are several properties that change either abruptly or gradually when a  material makes the transition from the normal to the superconducting state. Some of  these properties include:  1. Specific heat. The specific heat increases abruptly when a material becomes  superconducting.  2. Thermoelectric  effects.  All  the  thermoelectric  effects  (Peltier,  Thomson,  and Seebeck effects) vanish when a material becomes superconducting. A  superconducting thermocouple would not work at all.  3. Thermal  conductivity.  In  the  presence  of  a  magnetic  field,  the  thermal  conductivity of a pure metal decreases abruptly when the metal becomes  superconducting, although for some alloys (for example, Pb­Bi in a limited  range of compositions) the opposite is true. In the absence of a magnetic  field, there is no discontinuous change in the thermal conductivity, but the  slope change is sharp on the conductivity­temperature curve.  4. Electric resistance. For Type I superconductors the decrease of resistance  to zero is quite abrupt; however, for Type II superconductors the change is  sometimes spread over a temperature range as large as 1 K.  5. Magnetic permeability. The magnetic permeability suddenly decreases to  zero for Type I superconductors (the Meissner effect); however, for Type II  superconductors  the  Meissner  effect  is  incomplete  for  magnetic  fields  greater than the lower critical field. 
  • 40. 41 Fig. 2.14. Variation of the magnetization with applied magnetic field intensity for  Type I and Type II superconductors.  Over the years considerable experimental effort has been expended in the  study of superconducting alloys and compounds in order to develop materials that  would remain superconducting at high values of magnetic field and at temperatures  nearer  to  liquid­hydrogen  temperature  (about  20  K).  The  materials  most  used  for  superconducting magnets have been either the body­centered­cubic alloys of niobium  and titanium or the cubic beta­tungsten­type (Al5) compounds, such as Nb3Sn.  The body­centered­cubic alloys have been used in construction of magnets  with field strengths up to 10 tesla, while the niobium­titanium alloys can reach 12  tesla. In order to achieve thermal and magnetic stability, the niobium­titanium wires  used  in  superconducting  magnets  are  usually  clad  with  high­conductivity  copper.  Although  the  compound  niobium­tin  has  superconducting  properties  somewhat  superior  to  niobium­titanium,  Nb3Sn  is  extremely  brittle,  and  special  fabrication  methods are required for its use.  PROPERTIES OF CRYOGENIC FLUIDS  2.12. Fluids other than hydrogen and helium  A summary of some of the thermodynamic and transport properties of fluids  commonly used in cryogenic engineering is shown in Table 2.6. Further data on fluid  properties are contained in the appendix. 
  • 41. 42 Liquid nitrogen is a dear, colorless fluid that resembles water in appearance.  At  standard  atmospheric  pressure  (101.3  kPa)  liquid  nitrogen  beils  at  77.36  K  (139.3°R) and freezes at 63.2 K (113.8°R). Saturated liquid nitrogen at 1 atm has a  density of 807 kg/m3  (50.4 lbm/ft3 ) in comparison with water at 15.6o C (60°F), which  has a density of 999 kg/m3  (62.3 lbm/ft). One of the significant differences between  the  properties  of  liquid  nitrogen  and  water  (apart  from  the  difference  in  normal  boiling points) is that the heat of vaporization of nitrogen is more than an order of  magnitude smaller than that of water. At the normal boiling point, liquid nitrogen has  a  heat  of  vaporization  of  199.3  kJ/kg  (85.7  Btu/lbm),  while  water  has  a  heat  of  vaporization of 2257 kJ/kg (970.3 Btu/lbm).  Nitrogen with an atomic number of 14 has two stable isotopes with mass  numbers 14 and 15. The relative abundance of these two isotopes is 10,000:38. They  are relatively difficult to separate.  Because nitrogen is the major constituent of air (n.08 percent by volume or  75.45 percent by weight), it is produced commercially by distillation of liquid air.  Liquid oxygen has a characteristic blue color caused by the presence of the  polymer or long­chain molecule O4. At 1 atm pressure liquid oxygen boils at 90.18 K  (162.3°R) and freezes at 54.4 K (98.00 R). Saturated liquid oxygen at 1 atm is more  dense than water at 15o C (liquid­oxygen density = 1141 kg/m3  = 71.2 lbm/ft3 ). Oxygen  is slightly magnetic (paramagnetic) in contrast to the other cryogenic fluids, which  are  nonmagnetic.  By  measuring  the  magnetic  susceptibility,  small  amounts  of  oxygen may be detected in mixtures of other gases. Because of its chemical activity,  oxygen presents a safety problem in handling. Serious explosions have resulted from  the combination of oxygen and hydrocarbon lubricants.  Oxygen  with  an  atomic  number  of  16  has  three  stable  isotopes  of  mass  numbers  16,  17,  and  18.  The  relative  abundance  of  these  three  isotopes  is  10,000:4:20.  Oxygen  is  manufactured  in  large  quantities  by  distillation  of  liquid  air  because it is the second most abundant substance in air (20.95 percent by volume or  23.2 percent by weight). 
  • 42. 43 Liquid argon is a clear, colorless fluid with properties similar to those of  liquid nitrogen. It is inert and nontoxic. At 1 atm pressure liquid argon boils at 87.3  K (157.1o R) and freezes at 83.8 K (150.8°R). Saturated liquid argon at 1 atm is more  dense  than  oxygen,  as  one  would  expect,  because  argon  has  a  larger  molecular  weight than oxygen (argon density = 1394 kg/m3  = 87.0 Ibm/ft3  for saturated liquid at  1 atm). The difference between the normal boiling point and the freezing point for  argon is only 3.5 K (6.3°R).  Argon has three stable isotopes of mass numbers 36, 38, and 40 that occur in  a relative abundance in the atmosphere in the ratios 338:63:100,000.  Argon is present in atmospheric air in a concentration of 0.934 percent by  volume or 1.25 percent by weight. Because the boiling point of argon lies between  that  of  liquid  oxygen  and  that  of  liquid  nitrogen  (slightly  closer  to  that  of  liquid  oxygen), a crude grade of argon (90 to 95 percent pure) can be obtained by adding a  small auxiliary argon­recovery column in an air­separation plant.  Neon  is  another  gas  that  can  be  produced  as  a  by­product  of  an  air  separation plant. Liquid neon is a clear, colorless liquid that boils at 1 atm at 27.09 K  (48.8°R) and freezes at 24.54 K (44.3°R). The boiling point of neon is somewhat  above that of liquid hydrogen. But the fact that neon is inert, has a larger heat of  vaporization  per  unit  volume,  and  has  a  higher  density  makes  it  an  attractive  refrigerant when compared with hydrogen.  Neon (atomic weight = 20.183) has three stable isotopes of mass numbers  20,  21,  and  22  that  occur  in  a  relative  abundance  in  atmospheric  air  in  the  ratios  10,000:28:971.  Liquid  fluorine  is  a  light  yellow  liquid  having  a  normal  boiling  point  of  85.24 K (153.4°R). At 53.5 K (96.4°R) and 101.3 kPa, liquid fluorine freezes as a  yellow solid, but upon subcooling to 45.6 K (82°R) it transforms to a white solid.  Liquid fluorine is one of the most dense cryogenic liquids (density at normal boiling  point = 1507 kg/m3  = 94.1 Ibm/ft3 ).  Fluorine is characterized chemically by its extreme reactivity, as indicated  by the emf of its electrochemical half cell (E = –2.85 volts). Fluorine will react with 
  • 43. 44 almost all inorganic substances. If fluorine comes in contact with hydrocarbons, it  will react hypergolically with a high heat of reaction, which is sometimes sufficiently  high that the metal container for the fluorine is ignited. Such metals as low­carbon  stainless steel and Monel, which are used in fluorine systems, develop a protective  surface film when brought in contact with fluorine gas. This surface film prevents the  propagation of the fluorine­metal reaction into the bulk metal.  Fluorine  is  highly  toxic.  The  fatal  concentration  range  for  animals  is  200  ppm­hr (Cassutt et al. 1960). That is, for an exposure time of I hour, 200 ppm of  fluorine is fatal; for an exposure time of 15 minutes, 800 ppm is fatal; and for an  exposure time of 4 hours, 50 ppm is fatal. The maximum allowable concentration for  human exposure is usually considered to be approximately 1 ppm­hr. The presence  of fluorine in air may be detected by its sharp, pungent odor for concentrations as  low as I to 3 ppm. Because of its high toxicity, liquid fluorine is not utilized on a  large scale.  Methane is the principal component of natural gas. It is a clear, colorless  liquid  that  boils  at  1  atm  at  111.7  K  (201.1o R)  and  freezes  at  88.7  K  (159.7°R).  Liquid  methane  has  a  density  approximately  one­half  of  that  for  liquid  nitrogen  (methane. density = 424.1 kg/m3  = 26.5 lbm/ft3 ). Methane forms explosive mixtures  with  air  in  concentrations  ranging  from  5.8  to  13.3  percent  by  volume.  Liquid  methane has been shipped in large quantities by tanker vessels. The Methane Pioneer  made her maiden voyage on January 28, 1959 with 5000 m3  of LNG (liquid natural  gas). Since that time, several vessels have been commissioned for LNG transport.  2.13. Hydrogen  Liquid hydrogen has a normal boiling point of 20.3 K (36.5o R) and a density  at the normal boiling point of only 70.79 kg/m3  (4.42 Lbm/ft3 ). The density of liquid  hydrogen is about one­fourteenth that of water; thus, liquid hydrogen is one of the  lightest of all liquids. Liquid hydrogen is an odorless, colorless liquid that alone will  not support combustion. In combination with oxygen or air, however, hydrogen is  quite flammable. Experimental work (Cassutt et al. 1960) has shown that hydrogen­ air mixtures are explosive in an unconfined space in the range from 18 to 59 percent  hydrogen by volume. 
  • 44. 45 Natural hydrogen is a mixture of two isotopes: ordinary hydrogen (atomic  mass = 1) and deuterium (atomic mass = 2). Hydrogen gas is diatomic and is made  up of molecules of H2 and HD (hydrogen deuteride) in the ratio of 3200:1. A third  unstable isotope of hydrogen exists, called tritium; however, it is quite rare in nature  because it is radioactive with a short half life.  One of the properties of hydrogen that sets it apart from other substances is  that  it  can  exist  in  two  different  molecular  forms:  ortho­hydrogen  and  para­ hydrogen.  The  mixture  of  these  two  forms  at  high  temperatures  is  called  normal  hydrogen  which  is  a  mixture  of  75  percent  orthohydrogen  and  25  percent  para­ hydrogen by volume. The equilibrium (catalyzed) mixture of o­H2 and p­H2 at any  given  temperature  is  called  equilibrium­hydrogen  (e­H2).  The  equilibrium  concentration of p­H2 in e­H2 as a function of temperature is given in Table 2.7. At  the normal boiling point of hydrogen (20.3 K or 36.5o R), equilibrium hydrogen has a  composition of 0.20 percent o­H2 and 99.80 percent p­H2. One could say that it is  practically all para­hydrogen .  The distinction between the two forms of hydrogen is the relative spin of the  particles that make up the hydrogen molecule. The hydrogen molecule consists of  two  protons  and  two  electrons.  The  two  protons  possess  spin,  which  gives  rise  to  angular momentum of the nucleus, as indicated in Fig. 2.15. When the nuclear spins  are in the same direction, the angular momentum vectors for the two protons are in  the  same  direction.  This  form  of  hydrogen  is  called  ortho­hydrogen.  When  the  nuclear  spins  are  in  opposite  directions,  the  angular­momentum  vectors  point  in  opposite directions. This form of hydrogen is called para­hydrogen.  Table 2.7. Equilibrium concentration of para­hydrogen in equilibrium­hydrogen Temperature  (K) Mole fraction Para­Hydrogen 20.27 0.9980 30 0.9702 40 0.8873 50 0.7796 60 0.6681 70 0.5588 80 0.4988 90 0.4403
  • 45. 46 100 0.3947 120 0.3296 140 0.2980 160 0.2796 180 0.2676 200 0.2597 250 0.2526 300 0.2507 Deuterium can also exist in both ortho and para forms. The nucleus of the  deuterium atom consists of one proton and one neutron, so that the high­temperature  composition  (composition  of  normal  deuterium)  is  two­thirds  ortho­deuterium  and  one­third  para­deuterium.  In  the  case  of  deuterium,  p­D2  converts  to  o­D2  as  the  temperature  is  decreased,  in  contrast  to  hydrogen,  in  which  o­H2  converts  to  p­H2  upon decrease of temperature. The hydrogen deuteride molecule does not have the  symmetry  that  hydrogen  and  deuterium  possess;  therefore,  HD  exists  in  only  one  form.  As  one  can  see  from  Table  2.7,  if  hydrogen  gas  at  room  temperature  is  cooled  to  the  normal  boiling  point  of  hydrogen,  the  o­H2  concentration  decreases  from  75  to  0.2  percent;  that  is,  there  is  a  conversion  of  o­H2  to  p­H2  as  the  temperature is decreased. This changeover is not instantaneous but takes place over a  definite  period  of  time  because  the  change  is  made  through  energy  exchanges  by  molecular magnetic interactions. During the transition, the original o­H2 molecules  drop to a lower molecular­energy level. Thus the changeover involves the release of  a quantity of energy called the heat of conversion. The heat of conversion is related  to the change of momentum of the hydrogen nucleus when it changes direction of  spin.  This  energy  released  in  the  exothermic  reaction  is  greater  than  the  heat  of  vaporization of liquid hydrogen, as one can see from the tabulated values of the heat  of conversion and heat of vaporization shown in Appendix D.2. 
  • 46. 47               Fig. 2.15. Ortho­hydrogen and para­hydrogen. When hydrogen is liquefied, the liquid has practically the room­temperature  composition unless some means is used to speed up the conversion process. If the  unconverted normal hydrogen is placed in a storage vessel, the heat of conversion  will  be  released  within  the  container,  and  the  boil­off  of  the  stored  liquid  will  be  considerably larger than one would determine from the ordinary heat in leak through  the vessel insulation. Note that the heat of conversion at the normal boiling point of  hydrogen is 703.3 kJ/kg (302.4 Btu/lbm) and the latent heat of vaporization is 443 kJ  /kg  (190.5  Btu/lbm).  The  conversion  process  evolves  enough  energy  to  boil  away  approximately  1  percent  of  the  stored  liquid  per  hour,  so  the  reaction  would  eventually result in much of the stored liquid being boiled away. For this reason, a  catalyst is used to speed up the conversion so that the energy may be removed during  the liquefaction process before the liquid is placed in the storage vessel.  In the absence of a catalyst, the ortho­para transformation is a second order  reaction (Scott et al. 1934); that is, the rate of change of the o­H2 mole fraction is  given by  20 2 0 dx C x dt   (2.29) where C2 is the reaction­rate constant, 0.0114 hr–1  for hydrogen at the normal boiling  point, and x0 = 1 – xp is the mole fraction of o­H2 present at any time t. If eqn. (2.29)  is  integrated  from  the  initial  time  when  the  a­H2  composition  is  that  in  normal  hydrogen (0.750), the mole fraction of o­H2 at any time is given by  o 2 0.75 x 1 0.75C t   (2.30)
  • 47. 48 for liquid hydrogen at the normal boiling point. In the presence of a catalyst that is  well mixed with the hydrogen, the reaction approaches a first order reaction for the  gas phase (Chapin et al. 1960), for which  20 1 0 dx C x dt   (2.31) where  C1  is  the  reaction­rate  constant,  which  depends  upon  the  catalyst  used,  the  temperature, and the pressure of the gas. If the catalyst is added to the liquid phase,  the reaction is a zero­order one (Cunningham et al. 1960), for which  0 0 dx C dt   (2.32) where C0 is the reaction­rate constant for the zero­order reaction, which also depends  upon the catalyst, the fluid temperature, and the pressure.  Fig. 2.16. Specific heat c. for p­H2• n­H2• and o­H2 (by permission from Fowler and  Guggenheim 1949). 
  • 48. 49 These two forms of hydrogen have different specific heats because of the  different weighting of the energy levels of the two forms, as indicated in Fig. 2.16.  Because of this difference in specific heats, other thermal and transport properties are  also affected. For example, para­hydrogen gas has a higher thermal conductivity than  ortho­hydrogen gas because of the higher specific heat of p­H2.  2.14. Helium 4  Helium  has  two  stable  isotopes:  He4 ,  the  most  common  one,  and  He3 .  Ordinary  helium  gas  contains  about  1.3  ×  10–4   percent  He3 ,  so  when  we  speak  of  helium or liquid helium, we shall be referring to He4 , unless otherwise stated. Liquid  He4   has  a  normal  boiling  point  of  4.214  K  (7.58°R)  and  a  density  at  the  normal  boiling point of 124.8 kg/m3  (7.79 lbm/ft3 ), or about one­eighth that of water. Liquid  helium has no freezing point at a pressure of 101.3 kPa (1 atm). In fact, liquid helium  does not freeze under its own vapor pressure even if the temperature is reduced to  absolute zero. At absolute zero, liquid helium 4 must be compressed to a pressure of  2529.8 kPa (24.97 atm or 366.9 psia) before it will freeze, as indicated in Fig. 2.17.  Liquid  He4   is  odorless  and  colorless  and  has  an  index  of  refraction  near  that  of  gaseous He4  (nr = 1.02 for liquid He4 ). The heat of vaporization of liquid He4  at the  normal boiling point is 20.90 kJ/kg (8.98 Btu/lbm), which is only 1 /110 that of water.  Although helium is classified as a rare gas, and it is one of the most difficult  gases to liquefy, its unusual properties have excited so much interest that helium has  been the object of more experimental and theoretical research than any of the other  cryogenic fluids. 
  • 49. 50 Fig. 2.17. Phase diagram for helium 4. We notice from Fig. 2.17 that the phase diagram of He4  differs in form from  that  of  any  other  substance.  As  mentioned  previously,  liquid  He4   does  not  freeze  under its own vapor pressure; therefore, there is no triple point for the solid­liquid­ vapor region of helium as there is for other substances. There are two different liquid  phases: Liquid helium I, the normal liquid; and liquid helium II, the superliquid. The  phase transition curve separating the two liquid phases is called the lambda line, and  the point at which the lambda line intersects the vapor­pressure curve is called the  lambda point, which occurs at a temperature of 2.171 K (3.9lo R) and a pressure of  5.073 kPa (0.050 atm or 0.736 psia).  In  Fig.  2.18,  we  see  that  the  specific  heat  of  liquid  helium  varies  with  temperature in an unusual manner for liquids. At the lambda point, the liquid specific  heat  increases  to  a  large  value  as  the  temperature  is  decreased  through  this  point.  With a little imagination, one could say that the form of the specific­heat curve looks  somewhat like the small Greek letter lambda; hence, the name lambda point. It was  first  believed  that  the  transition  form  helium  I  to  helium  II  was  a  second­order  transition; however, later work has shown that the transition is more complicated. 
  • 50. 51 Because  the  specific  heat  of  liquid  helium  has  such  a  different  behavior  from  that  of  other  liquids,  we  should  expect  that  the  other  thermal  and  transport  properties could also differ in behavior. Strangely enough, the thermal conductivity  of helium I decreases with a decrease in temperature, which is similar to the behavior  of the thermal conductivity of a gas.  Heat transfer in the other form, helium II, is even more spectacular. When a  container of liquid helium I is pumped upon to reduce the pressure above the liquid,  the fluid boils vigorously (depending upon the rate of pumping) as the pressure of the  liquid  decreases.  During  the  pumping  operation,  the  temperature  of  the  liquid  decreases  as  the  pressure  is  decreased  and  liquid  is  boiled  away.  When  the  temperature  reaches  the  lambda  point  and  the  fluid  becomes  liquid  helium  II,  all  ebullition  suddenly  stops.  The  liquid  becomes  clear  and  quiet,  although  it  is  vaporizing quite rapidly at the surface. The thermal conductivity of liquid helium II  is so large that vapor bubbles do not have time to form within the body of the fluid  before the heat is quickly conducted to the surface of the liquid. Liquid helium I has  a thermal conductivity of approximately 24 mW/m­K (0.014 Btu/hr­ft­o F) at 3.3 K  (6°R), whereas liquid helium II can have an apparent thermal conductivity as large as  85 kW/m­K (49,000 Btu/hr­ft­°F) – much higher than that of pure copper at room  temperature! There is some question about defining a thermal conductivity for liquid  helium II because the thermal conductivity defined in the ordinary manner depends  not  only  on  temperature,  but  also  on  the  temperature  gradient  and  the  size  of  the  container (Keesom et al. 1940). The reason for this behavior will illustrate the nature  of this unique liquid.  One  of  the  unusual  properties  of  liquid  helium  II  is  that  it  exhibits  superliquidity;  under  certain  conditions,  it  acts  as  if  it  had  zero  viscosity.  In  explaining the behavior of1iquid helium II, it has been proposed (Landau 1941) that  the liquid be imagined to be made up of two different fluids: the ordinary fluid and  the superfluid, which possess zero entropy and can move past other fluids and solid  boundaries with zero friction. Using this model, liquid helium II has a composition of  normal  and  superfluid  that  varies  with  temperature,  as  shown  in  Table  2.8.  At 
  • 51. 52 absolute zero, the liquid composition is 100 percent superfluid; at the lambda point,  the liquid composition is 100 percent normal fluid.  Fig. 2.18. Specific heat of saturated liquid helium 4. The addition of heat to liquid helium II raises the local temperature of the  liquid around the point where heat is being added, which raises the concentration of  normal  molecules  and  lowers  the  concentration  of  superfluid  ones.  The  superfluid  then  moves  to  equalize  the  superfluid  concentration  throughout  the  body  of  the  liquid. Because the superfluid is frictionless, it can move rapidly; therefore, we see  that  the  high  apparent  thermal  conductivity  of  helium  II  is  really  due  to  a  fast  convection process rather than simply to conduction.  This type of transfer mechanism also explains the so­called "fountain effect"  that is observed in liquid helium II (Allen and Jones 1938; Keller 1969). When heat  is  added  to  the  powder  in  the  apparatus  shown  in  Fig.  2.19,  the  increase  in  temperature  tends  to  raise  the  concentration  of  normal  fluid,  and  the  superfluid  rushes in to equalize the concentration. Normal fluid, because of its viscosity, cannot  leave through the small openings between the fine powder particles very rapidly. The  amount  of  helium  quickly  builds  up  within  the  tube  as  a  result  of  this  inflow  of