Гелий при низких температурах

Свойства веществ при низких температурах.

При высоких температурах газы ведут себя так, будто совсем не взаимодействуют друг с другом, поэтому у каждой молекулы имеется кинетическая энергия теплового движения. При низких температурах возрастает роль потенциальной энергии, что вызывает отклонения свойств газов от законов идеального газа. Уравнение Ван дер Ваальса лучше описывает состояние газа при низких температурах. Из закона соответственных состояний можно определить является ли температура низкой для данного газа, если, то температуру можно считать низкой

Для паров воды К, для ксенона К, для кислорода – 154,2 K.

При очень низких температурах уравнение Ван дер Ваальса является уже недостаточно точным, поэтому используют уравнение состояния в вириальной форме.

При самых низких температурах только два газа – и могут находиться в газообразном состоянии, в этом состоянии для них существенны квантовые эффекты.

Область существования жидкостей при низких температурах ограничена точкой плавления, а в области высоких температур – критической точкой.

При переходе к низким температурам происходит рост коэффициента натяжения и коэффициента динамической вязкости. У некоторых веществ рост вязкости приводит к тому, что жидкость приобретает некоторые признаки твердого тела. Некоторые жидкости способны сохранить не только свой объем, но и свою форму. При самых низких температурах могут наблюдаться некоторые квантовые явления: во-первых, для твердых тел сверхпроводимость, во-вторых, для гелия – сверхтекучесть.

Более подробно рассмотрим жидкий гелий (это самая холодная жидкость в природе).

Существует две разновидности гелия – с критической температурой К и нормальной температурой кипения К и К.

Для того, чтобы кристаллизировать гелий даже при абсолютном нуле температур, необходимо иметь давление P = 25,27 атм. Наиболее важной особенностью жидкого гелия является существование двух его модификаций: I и II. Они переходят друг в друга при температуре Т = 2,186 К. Эта температура называется -точкой.

C

T

T_λ

I обладает нормальными для сжиженных газов свойствами. Внешне это бесцветная жидкость, бурно кипящая с обильным выделением пузырьков. А жидкий II резко отличается по своим свойствам как от I, так и от всех остальных жидкостей. При температуре ниже -точки прекращается кипение и выделение пузырьков, но это не самое главное, а самое главное – это что II обладает сверхтекучестью. Представим течение через тонкий капилляр, щели. Он не испытывает никакой вязкости. А I обладает вязкостью, как и любая другая жидкость.

Явление сверхтекучести открыл Капица в 1938 г., а в 1941 г. Ландау объяснил это явление. Сущность теории Ландау заключается в следующем: при абсолютном нуле жидкий гелий, как и любое другое вещество, находиться в состоянии, в котором его энергия или импульс изменится не могут. Поэтому при движении относительно любого тела жидкость не может изменить свою энергию или импульс, если ее скорость ниже какой – то критической. А если она не может изменить импульс, значит, она не обладает вязкостью. Если температура выше 0 К, то молекулы жидкого гелия возбуждаются, но происходит это таким образом, что возбуждается только часть молекул. От 0 до жидкий гелий представляет собой смесь двух компонентов: возбужденной и невозбужденной.

Течение жидкого гелия через капилляр осуществляется обоими компонентами жидкости. На нормальную компоненту действует сила вязкого трения, а на сверхтекучую – нет. Через очень узкий капилляр течет только сверхтекучая компонента. Поэтому температура в сосуде из которого вытекает гелий повышается.

Если верхняя часть тела, частично погруженного в жидкий гелий, имеет более высокую температуру, чем жидкость, то по поверхности этого телабудет подниматься пленка жидкого гелия до тех точек, температура которых равна. Причины существования таких пленок является взаимодействие друг с другом молекул жидкости и твердого тела. Такие пленки может образовывать и обычные жидкости, например, керосин. Но в обычных жидкостях вязкость препятствует движению пленки. При нагревании одного конца закрытого капилляра в нем возникает движение гелия.

Явление термомеханического эффекта заключается в том, что если в жидком гелии существует поток тепла, то возникает движение потока гелия в противоположную сторону. Особенно ярко термометрический эффект проявляется в фонтанировании, см рисунок. Если направить на нижнюю широкую часть трубки пучок света, то темный порошок будет нагреваться, и тепло будет передаваться. Как и в случае пленок, в обратную сторону начнет двигаться гелий, который поднимается, затем, по капиллярной пленке и выходит из нее в виде фонтана.

Механотермический эффект заключается в следующем: если по капиллярам или по пленке течет жидкий II, то в обратном направлении возникает поток тепла.

Лекция 21 Поверхностное натяжение.

Дата добавления: 2014-01-04