Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
? твердого гелия выше, чем жидкого, поэтому передвижение границы сопровождается переносом вещества. Допустим, что на плоской границе раздела жидкий - твердый гелий появилась вмятина. Т.к. из-за нее площадь поверхности становится больше, то силы поверхностного натяжения будут стремиться выровнять границу. Но в тот момент, когда граница станет плоской движение не прекратиться, а будет продолжаться по инерции. Появится выпуклость, силы поверхностного натяжения остановят движение и повернут его вспять. Если трения мало, то такое колебательное движение будет продолжаться долго. Можно сделать такое общее утверждение: если упругая сила (в нашем случае поверхностное натяжение), есть инерция и нет больших потерь энергии (т.е. сильного трения), то неизбежно возникновение колебаний после нарушения равновесия и такие колебания границы жидкость-кристалл гелий удалось наблюдать.
Твердый гелий оказался очень интересным веществом, столь же не похожим на другие твердые тела, как жидкий гелий - на другие жидкости, и за ним прочно закрепилось название: "квантовый кристалл".[1]
2.1 Сверхтекучесть
Разберемся, что происходит с гелием ниже 2,17 К, когда он перестает кипеть. Камерлинг-Оннес впервые указал, что при этой температуре свойства гелия имеют особенность. Получив жидкий гелий он занялся измерением его параметров, в первую очередь определением его плотности при разных температурах. Делалось то так. В жидкий гелий, находившийся в дьюаре, был погружен в стеклянный сосуд - мензурка с известным объемом, к верху которого была подпаяна стеклянная трубка с определенным диаметром и нанесенными делениями (рис. 3). К этому сосуду была подпаяна тонкая металлическая трубка-капилляр, которая через крышу, герметично закрывающую дьюар, выходила в комнату. Там она была подсоединена к другому сосуду заданного объема, в который напускался газообразный гелий. Его давление измерялось манометром. Полное количество гелия, содержащееся в измерительной системе, определялось до начала опыта с помощью формулы Менделеева -Клайперона.
При охлаждении часть гелия конденсировалась в мензурке, и по положению мениска в капилляре можно было определить объем жидкости. По давлению в объеме, остававшемся при комнатной температуре, определялось количество гелия, не перешедшего в конденсаты. Ясно, что этих данных было достаточно для вычисления плотности жидкости . Откачивая пары гелия из дьюара, можно изменять температуру жидкости и измерить зависимость (Т), приведенную на рис. 4. Максимум при К заинтриговал исследователей. Он явно указывал, на какое-то качественное изменение, происходящее в гелии при этой температуре. Дело в том, что любое нарушение монотонности изменения физических величин от температуры, обязательно связано со скачкообразным изменением в структуре вещества фазовым переходом. Например, это может быть переход пар-жидкость, жидкость-твердое тело и т.п. При подобных переходах, называемых фазовыми переходами I рода, все свойства изменяются скачком: и плотность, и порядок в расположении атомов, и теплоемкость, и коэффициент теплового расширения… Но бывают фазовые переходы и другого типа, при которых, в отличии от первых, плотность, например, изменяется непрерывно, но на зависимости (Т) проявляется излом. Такие перепады носят название фазовых переходов II рода.
Итак, излом зависимости (Т) свидетельствовал о наличии такого перехода, при котором бесконечно малое изменение какого-то количества приводит к новому качеству и ученым предстояло, в первую очередь, проверить действительно ли это переход II рода. Этой цели должны были послужить калориметрические измерения. Дело в том, что переходы первого рода - за единственным исключением квантового кристалла - сопровождаются поглощением или выделением тепла. При переходах второго рода, когда одна фаза переходит в другую непрерывно, теплота перехода отсутствует.
Собственно, даже независимо от этих соображений, надо было измерять тепловые свойства жидкого гелия, именно его теплоемкость, так как она характеризует тепловое движение. Эти измерения, выполненные впервые Кеезомом и Клузиусом, показали, что теплоты перехода ет, и чрезвычайно убедительно подтвердили присутствие аномалии - при К теплоемкость С резко возрастала (рис. 5).
По форме кривой С(Т), напоминающей греческую букву , точка фазового перехода получила название -точки. Последующие измерения гелия под давлением показали, что пока существует жидкая фаза, в ней всегда наблюдается этот переход, так что надо говорить о -линии, которую мы нанесем теперь на диаграмму состояния жидкого гелия (см. рисунке 2). Эта линия разделяет область существования жидкого гелия на две, которые долгое время назывались гелий I и гелий II.
То, что с теплопроводностью происходит что-то необычное, стало ясно в ходе опытов по измерению теплоемкости. Чтобы ее измерить, был собран такой прибор: два медных сосуда были соединены между собой тонкой трубкой с диаметром 0,6 мм и длиной от ~20 до ~90 см (в разных опытах) из материала с плохой теплопроводностью. Сосуды заполнялись жидким гелием, так что столбик жидкости в трубке служил средой, передающей тепло. В одном из блоков помещался нагреватель, и в обоих термометры. Создавалось впечатление, что тепло даже по этому длинному и тонкому столбику из гелия II передается практически без сопротивления, и заметной разности температур не наблюдается. А это может быть