Geum.ru

Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий

Курсовой проект - Физика

Другие курсовые по предмету Физика

?лучить К. А у 3Не такой пленки нет. Поэтому, откачивая его пары, можно добраться уже до ~0,3 К - большой прогресс! Но когда физики изучили, что происходит, если смешать 3Не и 4Не, то они нашли способ понизить температуру еще ниже - всего до нескольких тысячных кельвина.

 

 

 

Зачем понадобилось смешивать эти изотопы? Одно из очевидных соображений: чистый 4Не сверхтекуч, а при тех же температурах 3Не - нет. Стали составлять смеси разного состава из этих изотопов и смотреть, что же получится, а заодно исследовать их физические свойства. И тут возник вопрос номер один: а будут ли вообще смешиваться эти жидкости? Ответ мог дать только эксперимент, и оказалось, что и здесь результат получился неожиданным. Если температура выше ~0,8 К, то при любом соотношении смешиваемых частей оба гелия образуют однородный раствор. Но, если температура становится ниже, то можно приготовить либо слабый раствор 3Не в 4Не, либо слабый раствор 4Не в 3Не. Предельная концентрация зависит от температуры.

Чтобы показать эту зависимость, построим диаграмму, подобную диаграмме фазового состояния (рис. 7). По оси абсцисс будем откладывать х - относительную концентрацию 3Не в 4Не. Очевидно, х может меняться лишь в пределах от 0 до 1, значит, поле диаграммы ограничено. А по оси ординат будет отложена температура. Нанесем теперь слева линию, отвечающую предельной концентрации 3Не в 4Не, а справа - обратному случаю. Эти линии сходятся только в одной точке при К. На диаграмме получился "колокол", ограничивающий область концентраций и температур, при которых не может существовать однородный раствор 3Не и 4Не.

Что же будет, если мы, например, смешаем равные объемы газообразных 3Не и 4Не, а потом охладим эту смесь до температуры, скажем, 0,5 К? Мы видим, что точка с такими координатами попадает внутрь "колокола". И тогда появится две разные жидкости. Одна - почти чистый 3Не, в котором всего ~10% 4Не, другая - 4Не с ~20% примеси 3Не. первая смесь имеет меньшую плотность, и она всплывает. Происходит расслоение, совсем как в смеси бензин - вода, и границу между жидкостями можно отчетливо увидеть (рис. 8 7.4).

 

 

А как же насчет сверхтекучести? Оказывается, тяжелая фракция - сверхтекуча, легкая - нет. А там, где расслоение прекращается, можно провести -линию, разделяющую области, где есть и где нет сверхтекучести. конечно же, при х=0 она упирается в ось ординат в точке . А примесь 3Не мешает сверхтекучести - она приводит к понижению температуры перехода.

У этих растворов есть замечательное свойство. Оказалось, что при максимальная возможная концентрация 3Не в 4Не не падает до нуля, а остается равной ~6,5%. Это позволило создать очень эффективную холодильную машину, называемую криостат растворения, с помощь которой удается получать температуры ниже 10-2 К.[3]

 

Заключение

 

Низкие температуры очень важны в нашей жизни. Окружающий нас космос - это природный гигантский холодильник, не дающий нам сгореть от палящих лучей солнца. Но и созданный человеком рукотворный холод нашел не мало применений: это и получение кислорода для современной металлургии, и громадные сверхпроводящие магниты, предназначенные приблизить осуществление управляемого термоядерного синтеза, и целая отрасль медицины - криохирургия, и наиболее чувствительные приборы для обнаружения радиосигналов и измерения магнитных полей, это в перспективе создание машин нового поколения и многое, многое другое.

В результате изучения материалов по рассматриваемому вопросу, были сделаны следующие основные выводы:

  1. Вещества при изменении температуры меняют свои свойства. При понижении температуры большинство веществ меняют фазовое состояние. При самых низких температурах только два вещества - водород и гелий - могут находиться в газообразном состоянии с заметным давлением, все прочие газы при значительно более высоких температурах твердеют, а упругости их паров становятся ничтожно малыми.
  2. Получение низких температур, от 200 К и ниже, имеет огромное значение для лабораторных исследований свойств веществ и для некоторых промышленных целей, о которых мы говорили выше. Основными методами получения очень низких температур является магнитный способ и метод с применением жидкого гелия.
  3. У всех веществ есть особая точка называемая тройной. В ней граничат сразу 3 фазы: твердая, жидкая и газообразная, и их все три можно наблюдать одновременно. Как выяснил в своих исследованиях Камерлинг-Оннес, у гелия нет тройной точки. Это единственное вещество, обладающее таким свойством.
  4. Капица, измеряя вязкость методом перетекания, выяснил, что вязкость гелия II чрезвычайно мала. Он назвал обнаруженное явление сверхтекучестью. Сверхтекучесть - чисто квантовое явление, а жидкий гелий является единственной квантовой жидкостью, в то время как другие жидкости отвердевают при значительно более высоких температурах, при которых описываемый квантовый эффект еще не проявляется.

 

Список использованной литературы

 

  1. В.С. Эдельман. Вблизи абсолютного нуля. Москва, 1983г.
  2. А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. Молекулярная физика. Москва, 1976 г.
  3. Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика. Москва, 1990 г.
  4. Р.В. Телеснин. Молекулярная физика. Москва, 1973г.
  5. Академик П.Л. Капица. Свойства жидкого гелия.1987г.
  6. Физический энциклопедический словарь. Москва, 1984г.