Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
лишь при очень большом коэффициенте теплопроводности , в сони раз превосходящем его для меди. А вот у гелия I теплопроводность низкая, примерно как у газов при обычных температурах. Поэтому при переходе через -точку скачком меняет ее - по измерениям, проведенным Кеезомом вместе со своей дочерью, по крайне мере в 3.106 раз. Этот результат объясняет, почему в гелии II не видно пузырьков газа.
Но в чем причина высокой теплопроводности. Может быть все дело в конвекции? Но конвекция тоже не приводит к мгновенной передаче тепла, тем более по узким длинным капиллярам, в которых она обычно вообще не возникает. Ведь при конвекции надо привести в движение инертные массы вещества и все время поддерживать это движение, стремящееся затухать из-за внутреннего трения, мерой которого служит вязкость.
Капица стал измерять вязкость методом перетекания. В результате этих экспериментов вязкость гелия II оказалась чрезвычайно мала - по крайней мере, в десятки тысяч раз меньше, чем для любой другой среды. Это был пока что качественный результат, но Капица понял, насколько он важен, и сообщил о нем, назвав обнаруженное явление сверхтекучестью, выдвинув очень смелую гипотезу, что вязкость не просто мала, а полностью отсутствует.
В жидкости или твердом теле возбуждаются тепловые акустические колебания, называемые фононами. Их число и энергия подчиняется тем же законам, что и фотоны в черном теле. Чем ниже температура, тем меньше фононов. И тем больше характерные длины волн . Так, в жидком гелии при Т=1 К см, т.е. действительно тепловое движение - это согласованное движение большого количества атомов.
Понятие того, что нагревание жидкости сопровождается увеличением числа фононов, позволило объяснить почему гелий может течь без трения.
Итак, гелий II состоит как бы из двух частей, пронизывающих друг друга. Одна часть - это система фононов, обладающих всеми свойствами обычной вязкой жидкости увлекаемой движущейся стенкой и имеющей плотность . Эту часть жидкости называют также нормальной компонентой. А остальная часть, плотность которой , это сверхтекучая компонента, не взаимодействующая со стенкой, т.е. имеющая нулевую вязкость. Ясно, что при плотность тоже уменьшается до нуля, так как фононы - это результат теплового движения. Наоборот при увеличении температуры число фононов, а с ними и возрастает, и когда становится равным , происходит фазовый переход - сверхтекучесть исчезает.
Говоря о сверхтекучести нельзя не упомянуть о течении пленки жидкого гелия. Хотя стенка гелия имеет микроскопическую толщину, но ведь гелий II сверхтекуч. Поэтому, перенос жидкости по ней происходит довольно быстро. Например, наполненная гелием II пробирка опорожняется за несколько минут. Это перетекание гелия по пленке необходимо часто учитывать. Ведь течение сверхтекучего гелия происходит не только под действием гравитации. Вспомним о термомеханическом эффекте. Если есть разность температур, то гелий потечет по пленке туда, где теплее. Но в любом криостате температура снизу вверх изменяется от самой низкой до комнатной. И гелий течет вдоль стенки снизу до того места, где . Здесь он быстро испаряется - ведь при давление насыщенных паров высоко. Это пар частично откачивается насосом, частично конденсируется на свободной поверхности гелия. А при конденсации выделяется тепло. Другими словами, как только наступает сверхтекучесть, так сразу же ухудшается качество криостата: возрастает теплоподвод к жидкости. Это очень непрятное обстоятельство не позволяет понизить температуру гелия откачкой его паров существенно ниже ~1 К. Ценой значительного усложнения прибора, помещая один гелиевый дьюар в другой, тоже заполненный гелием, удалось добраться до ~0,8 К. И это предел. А не будь течения по пленке, можно было бы простой откачкой достичь и 0,5 К.[1]
2.2 Гелий-3
Раньше мы писали просто "гелий", не обращая внимания на то, что атомы гелия бывают разные: есть несколько изотопов с зарядом ядра Z=2. Из них для физики низких температур важны два, и оба стабильные: гелий с массовым числом 3, обозначаемый 3Не, и с массовым числом 4, т.е. 4Не, о котором выше и шла речь и который и впредь мы будем, как правило, называть по-прежнему просто гелий.
Не кипит при 3,69 К, при 1,2 К давление его паров ~20 мм рт.ст. Поэтому в приборе вида "дьюар в дьюаре", показанном на рис. 6, 3Не, попав в трубку, стенка которой имеет температуру ~1,2 К, станет жидким и сольется вниз. Теперь, если мы начнем откачивать его пары, то он, испаряясь, начнет охлаждаться и будет охлаждать все, что находиться с ним в тепловом контакте.
Жидкий 3Не менее плотен, чем жидкий 4Не: 0,08 г/см3 по сравнению с 0,145 г/см3. Кипит он при более низкой температуре, и теплота испарения у него много меньше. Жидкий 3Не - еще одна квантовая жидкость, и не удивительно, что она не затвердевает вплоть до Т=0.
Чтобы получить твердый 3Не, его нужно, как и 4Не, подвергнуть давлению. Теплота плавления 3Не - отрицательна. Второе удивительное свойство 3Не - он не становится сверхтекучим до очень низких температур ~10-3 К.
У атомов 3Не, даже при температуре Т=0 К, из-за действия принципа Паули остается кинетическая энергия, превышающая энергию нулевых колебаний на ~10 К, т. е. "фононы" просто не "остывают" до той температуры, при которой могла бы начаться сверхтекучесть.
А ведь отсутствие сверхтекучести, оказывается, очень полезное свойство. Когда мы говорили о понижении температуры откачкой паров гелия, то выяснили, что сверхтекучая пленка мешает п?/p>