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저온학의 온도 범위는 －150℃에서부터 이론적으로 가능한 범위 내에서 분자운동이 완전히 정지한 절대영도(－273℃)까지로 정해져 있다.

저온학 온도는 대개 K(켈빈) 온도로 표현되는데 여기서는 절대영도를 °(도) 기호를 사용하지 않고 0K로 나타낸다. 섭씨에서 켈빈으로의 변환은 섭씨 온도에 273을 더하면 된다. 저온 온도는 일상적인 물리학적 과정에서 접하는 것보다 현저히 낮은 온도이다. 이와 같은 극한의 상황에서 강도·열전도율·연성(延性)·전기저항과 같은 물질의 성질이 이론적·상업적으로 중요하게 변경된다.

열은 분자의 불규칙적인 운동에 의해서 생성되기 때문에 저온학 온도에서 존재하는 물질은 정적상태에 가까우며 고도로 정렬(整列) 상태에 있다.

저온학이 시작된 시기는 산소 기체가 액체로 되는 온도(－183℃, 90K)로 냉각이 된 최초의 시기인 1877년으로 생각하고 있다. 이때 이래로 저온학의 이론적인 발전은 냉각장치의 성능과 연관되어 있다. 40K의 온도까지 도달하는 것이 가능하게 된 1895년에는 공기를 액화시켜 공기의 주성분을 분리할 수 있게 되었으며 1908년에는 헬륨이 액화되었다(4.2K). 3년 후에 다수의 금속이 저온에서 전기저항을 잃어버리는 특이한 성질(현재 초전도라고 알려져 있는 현상)이 발견되었다.

1920, 1930년대에 절대영도에 매우 근접한 온도를 실현했으며 1960년에 이르러서는 실험실에서 0.000001K, 즉 절대 영도보다 1/1,000,000K만큼 높은 온도를 실현할 수 있게 되었다. 3K 이하의 온도는 주로 실험실 연구용, 특히 헬륨의 특성연구에 이용된다. 헬륨은 4.2K에서 액화되어 헬륨Ⅰ로 된다.

2.19K에서는 갑자기 헬륨Ⅱ로 되는데 이는 점성이 매우 낮아서 유리벽을 기어올라갈 수 있으며 헬륨Ⅰ을 포함하는 대부분의 액체가 통과하기에는 매우 좁은 미세한 구멍도 통과할 수 있다(헬륨Ⅰ과 헬륨Ⅱ는 물론 화학적으로는 동일함). 이와 같은 성질을 초유동성(超流動性)이라고 한다.

저온 기체 액화기술의 상업적인 응용으로서 가장 중요한 것은 메탄·에탄과 같은 연소성 기체의 혼합물인 액화 천연 가스(LNG)의 저장과 운송이다.

천연 가스는 110K에서 액화되며 상온에서의 부피의 1/600이 되어 특수한 단열 탱크에 저장하여 신속하게 운송할 수 있다. 초저온은 음식물을 간편하면서 저렴하게 저장하는 데도 이용된다(식품저장). 생산품을 밀폐된 용기에 넣어서 액화 질소를 뿌려준다. 이때 질소는 곧 증기화되면서 생산물의 열을 흡수한다.

저온의학에서는 환부 조직을 냉동시키는데 저온의 메스 또는 탐침(探針)을 사용한다(냉동외과 수술). 이와 같은 방법으로 생성된 죽은 세포를 통상적인 과정을 통하여 제거하게 된다. 이 방법의 이점은 조직을 얼리는 것이 절제하는 것보다 출혈이 적다는 점이다. 액체질소로 냉각된 메스는 저온외과학에서 이용된다.

이것은 편도선·치질·사마귀·백내장과 일부 종양을 제거하는 데 성공적인 것으로 판명되었다. 또한 파킨슨병을 앓고 있는 수만 명의 환자가 병을 일으키는 부분으로 생각되는 뇌의 작은 부분을 냉각시켜서 얼리는 치료를 받았다. 저온학의 응용분야는 우주선에도 이르게 되었다. 1981년 미국의 우주왕복선 컬럼비아호는 액화 수소와 액화 산소 추진제의 도움을 받아 발사되었다.

극단의 온도까지 냉각된 물질의 특수한 성질 중에서 초전도가 가장 중요하다. 이것의 가장 주요한 응용은 입자가속기를 위하여 초전도 전자석을 만드는 것이다. 이와 같은 대형의 장치는 매우 큰 자기장을 필요로 하는데 통상의 전자석으로 그만큼의 자기장을 형성하기 위해 전류를 흘려보내면 전자석은 녹아버린다. 액체 헬륨을 이용하여 전류가 흐르는 케이블을 4K까지 냉각시키면 저항에 의한 열의 발생 없이 대량의 전류를 흘릴 수 있다.