Свойства вещества при низких температурах

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

При низких температурах, когда интенсивность тепловых движений оказывается ослабленной, должны, конечно, наблюдаться существенные изменения свойств вещества. Однако при рассмотрении этих изменений нужно прежде всего установить, какие именно температуры должны считаться низкими. Нетрудно видеть, что по отношению к разным веществам и для различных свойств этих веществ «низкими» должны считаться совершенно различные температуры. Так, например, если речь идет о свойствах жидкостей, то ясно, что для них не имеет смысла говорить о температурах более низких, чем температура их отвердения Т_отв (об исключительной случае жидкого гелия см. ниже). Для воды, например, комнатная температура может считаться весьма низкой, так как отношение ее к Т_отв мало отличаются от единицы.

Нет возможности описать здесь сколько -нибудь подробно все особенности поведения веществ при низких температурах. Поэтому ограничимся лишь некоторыми общими замечаниями о низкотемпературных явлениях и о свойствах различных классов веществ в этих условиях.

При самых низких температурах – тех, которые получаются с помощью жидкого гелия («гелиевые» температуры) и тем более магнитным способом, - тепловые движения оказываются настолько ослабленными, что они во многих случаях не играют большой роли. Благодаря этому как бы вскрываются те сложные взаимодействия между атомами и молекулами, которые обусловлены их строением и которые при более высоких температурах полностью или частично маскируются влиянием тепловых движений. А так как атомы и молекулы состоят из частиц, то при температурах ,близким к абсолютному нулю, квантовые эффекты становятся весьма заметными, некоторые явления имеют чисто квантовый характер. С одним из таких явлений мы познакомимся позже.

Газы при низких температурах. При обычных температурах и давления газы с большой точностью могут считаться идеальными. Это значит, что молекулы газа ведут себя так, как будто они совершенно не взаимодействуют между собой, и поэтому каждой молекуле приписывается только кинетическая энергия тепловых движений.

В действительности, однако, взаимодействие между частицами существует и молекулы газа на самом деле обладают не только кинетической, но и потенциальной энергией, обусловленной силами взаимодействия и зависящей от их взаимных расстояний. Но при высоких температурах, когда кинетическая энергия молекул велика, потенциальной энергией можно по сравнению с ней пренебречь и считать газ идеальным. При низкой температуре относительная роль потенциальной энергии возрастает, что вызывает отклонение свойств газов идеальности.

Закон соответственных состояний, основанный на приведенном уравнении Ван-дер-Ваальса

позволяет сразу определить, является ли данная температура высокой или низкой для того или иного вещества. Низкими, очевидно, должны считаться температуры, при которых θ = Т/Т_к близко к единице или меньше единицы.

Так, например, для паров воды (Т_к = 647,1 К) комнатная температура (Т = 290 К) – это очень низкая температура, потому что

Ее можно считать низкой и для ксенона (Т_к = 289,1 К):

Но для кислорода (Т_к = 154,2) комнатная температура должна уже считаться высокой, так как θ значительно больше единицы:

Сложность сил взаимодействия между молекулами газа приводит к тому, что при низких температурах уравнение Ван-дер-Ваальса оказывается недостаточно точным. При температурах вблизи и ниже критической лучше всего согласуется с опытом уравнения состояния в виде ряда (для 1 моля)

, (8)

в котором силы взаимодействия находят свое отражение в зависящих от температуры вириальных коэффициентах В, С и т. д.

Первый член ряда соответствует отсутствию сил взаимодействия: если ограничиться этим членом, то, как видно из уравнения (8), мы получим уравнение состояния идеального газа. Второй вириальный коэффициент В отражает такие взаимодействия, в которых участвуют две сближающиеся молекулы (парное взаимодействие), третий учитывает взаимодействия, связанные с одновременным сближением трех частиц, и т. д.

Если давление газа не слишком велико, то играет роль только второй член ряда, т.е. второй вириальный коэффициент, так как вероятность встречи (столкновения) трех частиц (тем более четырех и больше) может стать заметной только при больших плотностях газа. Точное вычисление второго вириального коэффициента может быть произведено только с учетом построения атомов и квантовых законов.

При самых низких температурах только два вещества – водород и гелий – могут находиться в газообразном состоянии с заметным давлением. Все прочие газы при более значительных температурах твердеют, а упругости их паров становятся ничтожно малыми. Но в обоих «низкотемпературных» газах обнаруживаются заметные квантовые эффекты. Строго говоря, низкие критические температуры гелия и водорода сами по себе являются квантовыми эффектами.

Жидкости при низких температурах. Область существования жидкого состояния ограничена критической точкой со стороны высоких и со стороны низких температур (последняя зависит от давления). Изменения свойств жидкостей при переходе к низким температурам (близким к точке отвердения) сводятся к росту коэффициента поверхностного натяжения и к сильному увеличению коэффициента внутреннего трения. У некоторых веществ рост вязкости приводит даже к тому, что жидкость приобретает некоторые признаки твердого тел и прежде всего способность сохранять не только объем, но и форму.

Как уже упоминалось, при самых низких температурах наблюдаются некоторые специфические квантовые явления, которые нельзя считать результатом постепенного изменения свойств вещества с понижением температуры. Явления эти возникают скачком при вполне определенной температуре и не имеют аналогов при высоких температурах. Мы имеем в виду явления сверхпроводимости и сверхтекучести. Первое из них заключается к скачкообразном исчезновении электрического сопротивления в металлах и наблюдаются у довольно большого числа чистых металлов и сплавов. Второе относится к одному единственному в природе веществу – жидкому гелию.

Жидкий гелий

Жидкий гелий замечателен прежде всего тем, что это самая холодная жидкость в природе. Обычный гелий (Не⁴), состоящий из атомов с атомным весом 4, имеет критическую температуру 5,25 К. следовательно, в жидком состоянии он может существовать только ниже этой температуры. При давлении в 1 атм он кипит при 4,21 К. еще более низкую критическую температуру имеет редкий изотоп гелия с атомным весом 3 (Не³). Она равна 3,35 К, а под давлением своих паров, равным 1 атм, жидкий гелий Не³ кипит при 3,195 К.

Все другие вещества уже при более высоких температурах переходят в твердое состояние. Жидкий же гелий не твердеет и при температурах, еще более близких к абсолютному нулю, и все указывает на то, что и при абсолютном нуле нормальным состоянием гелия является жидкое состояние. Это, однако, не значит, что гелий вообще не может быть твердым. Но в твердое состояние он может быть переведен только под повышенным давлением, тем более высоким, чем выше температура. Даже при абсолютном нуле для кристаллизации гелия потребовалось бы давление в 25,27 атмосферы.

Наиболее важной особенностью жидкого гелия является существование двух его модификаций, переходящих одна в другую при 2,186 К (при этой температуре переход происходит при давлении паров в одну атмосферу; под повышенным давлением температура перехода более низкая). Эти две модификации называются Не І и Не ІІ. Точка перехода Не І – Не ІІ обычно называется λ-точкой. Название это принято из-за вида кривой температурной зависимости теплоемкости жидкого гелия, напоминающей букву λ (рис. 9). Скачок теплоемкости в точке перехода является важной чертой этого перехода ,отличающей его от таких, например, превращений, как парообразование или плавление, которые не сопровождаются скачком теплоемкости, но при которых выделяется скрытая теплота. Переход Не І в Не ІІ происходит без выделения или поглощения скрытой теплоты.

Жидкий Не І, т.е. жидкий гелий выше λ-точки, обладает нормальными для сжижения газов свойствами, если не считать его низкой температуры. Внешне это бесцветная жидкость, бурно кипящая с обильным выделением пузырьков. Плотность жидкого гелия около 0,12 г/см³. Низкотемпературная же модификация жидкого Не ІІ по своим свойствам резко отличается как от Не І, так и от других жидкостей в природе. Даже внешне Не ІІ резко отличается от Не І тем, что тотчас после понижения температуры ниже λ-точки прекращается бурное кипение и образование пузырьков. О причинах этого явления будет сказано ниже.

Жидкий гелий ІІ. Сверхтекучесть. Самой разительной особенностью жидкого Не ІІ является сверхтекучесть. Это свойство, которым ни одно другое вещество (не исключая и легкого изотопа гелия) не обладает, заключается в том, что жидкий Не ІІ при своем течении через тонкие капилляры, щели и т.д. не испытывает никакого трения. Течение жидкого Не ІІ происходит так, как будто бы вязкость его равна нулю (П. Л. Капица, 1940).

Как известно, вязкость (внутренне трение) связана с переносом количества движения (импульса) от одного слоя движущейся жидкости к другому. Этот процесс происходит при столкновении молекул, совершающих тепловые движения при одновременном упорядоченном движении всей жидкости или как газа целого.

Жидкий Не І, как и всякая другая жидкость, обладает вязкостью, хотя и очень малой, не большей, чем у газообразного гелия (около 2·10^-5 пуаз). Течение Не І происходит таким же образом, как и течение обычных жидкостей. Но при переходе через λ-точку вязкость гелия внезапно уменьшается по крайней мене в миллион раз и становится меньше 10^-11 пуаз, т.е. практически равно нулю (вязкость воды равна 10^-2 пуаз). Это значит ,что жидкий гелий Не ІІ может свободно протекать через самые тонкие капилляры, щели и отверстия, непроницаемые даже для газа. И именно в самых тонких капиллярах течение жидкого Не ІІ характеризуется закономерностями, коренным образом отличающимися от законов течения обычных жидкостей.

У обычных жидкостей скорость течения определяется, как известно, уравнением Пуазейля

где V – объем жидкости ,протекающей за 1 с через сечение трубки, Δp – перепад давления, l и r – длина и радиус трубки, η – вязкость жидкости. Скорости течения, следовательно, при данной вязкости растет с увеличением Δp и падает с ростом l.

Скорость же течения жидкого Не ІІ в тонких капиллярах (10^-4 – 10^-5 см) от разности давлений и от длины капилляра вообще не зависит ,а с увеличением толщины капилляра скорость не растет, а уменьшается. Это показывает ,что движение Не ІІ в таких капиллярах является вполне безвякостным. Существует ,однако, определенная скорость течения, так называемая критическая скорость, выше которой начинает действовать силы трения и движение становится вязким. Величина критической скорости растет с понижением температуры и только при самых низких температурах становится постоянной величиной.

В широких капиллярах («широким» для жидкого Не ІІ являются капилляры шире 10^-3 см) течение жидкого Не ІІ происходит несколько иначе. Здесь нет определенной критической скорости, выше которой появляются силы трения. Скорость течения в широких капиллярах пропорциональна разности давлений. Это означает, что если в узких капиллярах силы трения вплоть до критической скорости вовсе отсутствуют, то в широких такие силы почти при всех скоростях существуют, но они достаточно малы, чтобы не препятствовать росту скорости с увеличением разности давлений. В широких капиллярах ,следовательно, нет вполне безвязкостного течения Не ІІ. Однако и здесь закономерности течения сильно отличаются от обычных.

Удивительное свойство сверхтекучести, наблюдающееся у Не ІІ, нельзя объяснить с помощью обычных представлений и жидком состоянии вещества. Ведь эти представления относятся к обычным молекулярным системам, в которых тепловые движения играют очень большую роль. Жидкий же гелий существует не только при очень низких температурах, когда энергия тепловых движений становится очень малой. Неудивительно, что при таких условиях могут происходить явления, которые при более высоких температурах не наблюдаются. Свойство сверхтекучести, как, впрочем, и все другие явления, происходящие при температурах, близких к абсолютному нулю, оказалось квантовым эффектом, т.е.явлением, которое может быть объяснено только квантовой механикой. Такое объяснение было дано в 1941 г. Л. Д. Ландау.

Сущность теории Л. Д. Ландау заключается в следующем.

При абсолютном нуле жидкий гелий, как и всякое другое вещество, находится в состоянии, в котором энергия (и импульс) его атомов не может измениться. Поэтому при движении относительно какого-нибудь тела, например стенки капилляра (или, что то же, при движении тела относительно жидкости), жидкость не может увеличить свой импульс или энергию (возбудиться), если скорость этого относительного движения меньше некоторой критической. Ясно, что жидкость, частицы которой не могут обмениваться импульсом с другими атомами, не обладает вязкостью, является сверхтекучей.

При температуре же, отличной от абсолютного нуля, жидкий гелий возбуждается, но происходит это так, как будто возбуждается только часть жидкости. Остальная же часть остается невозбужденной, т.е. остается в остается в таком же состоянии, в каком она была бы при абсолютном нуле. Таким образом ,пи всех температурах выше абсолютного нуля и ниже λ-точки жидкий гелий представляет собой как бы смесь двух компонент – возбужденной и невозбужденной. Первая обладает ,а другая не обладает вязкостью. Каждая из компонент обладает своей плотностью, но на опыте измеряется, конечно, полная плотность жидкости. Если обозначить плотность нормальной компоненты ρ_n, сверхтекучей ρ_s, а суммарную плотность через ρ, то зная температурную зависимость ρ и одной из составляющих ρ_nили ρ_s, можно определить эти последние.

Опытным путем можно, как оказывается, определить отношение . Поэтому, зная ρ и ρ_п/ρ и полагая, что , можно вычислить значения и и их зависимость от температуры. Очевидно, что при изменении температуры от абсолютного нуля до λ-точки значение изменяется от нуля до ρ, а - от ρ до нуля: при абсолютном нуле вся жидкость сверхтекучая, а выше λ-точки вся она нормальная, вязкая. С этой точки зрения переход Не І – Не ІІ состоит в том, что в нормальном жидком гелии появляется сверхтекучая компонента, количество которой с дальнейшим понижением температуры возрастает. Жидкий гелий – вещество, которое фактически можно наблюдать как бы в условиях абсолютного нуля (который, как мы знаем, недостижим). И это – единственное такое вещество в природе.

Описанная только что картина жидкого гелия Не ІІ позволяет понять те особенности течения этой жидкости через капилляры, о которых было рассказано выше.

В самом деле, течение жидкого гелия через капилляры осуществляется, конечно, обеими компонентами жидкости. Но нормальная компонента испытывает при этом действие силы трения, на сверхтекучую же компоненту такая сила не действует. Чем уже капилляр, тем меньше участие нормальной компоненты, испытывающей в таких капиллярах наибольшее трение. В самых узких капиллярах нормальная компонента практически в течении участвовать не может и оно оказывается безвязкостным. В широких же капиллярах роль нормальной компоненты становится более заметной и вполне безвязкостное течение уже не может наблюдаться. Однако благодаря присутствию сверхтекучей компоненты обычные законы гидродинамики все же не выполняются и в этом случае.

Экспериментально установлено, что явление сверхтекучести наблюдается и в жидком Не³. Но это вещество становится сверхтекучим при температуре в несколько милликельвинов.

Тонкие пленки в жидком гелии ІІ. В тесной связи с описанным свойством сверхтекучести жидкого гелия находится другое явление – образование тонкой движущейся пленки жидкого гелия Не ІІ на поверхности всякого твердого тела, соприкасающегося с ним.

Явление это заключается в том, что когда какое-нибудь тело частично погружено в жидкий гелий ІІ, причем верхняя часть тела имеет более высокую температуру, чем жидкость, то вдоль непогруженной части поднимается тонкая пленка жидкости и доходит до той части поверхности тела, где температура выше λ-точки. Здесь большая часть пленки испаряется. Разумеется, тонкая пленка образуется и на стенках самого сосуда, в котором хранится Не ІІ, выше его уровня. Заметим, что эта пленка увеличивает площадь поверхности, с которой происходит испарение жидкого гелия, и затрудняет откачку его паров.

Как уже указывалось, пленка жидкого гелия подвижна и двигается она в ту сторону, где температура выше. Если же поверхность тела на всем своем протяжении имеет одинаковую температуру (ниже λ-точки), то непогруженная часть поверхности покрывается неподвижной пленкой.

Интересными примерами образования и движения пленки Не ІІ могут служить опыты, схематически изображенные на рис 10.

Если погрузить в жидкий Не ІІ пустую пробирку так, как это показано на рис 10,а, то на наружной стенке пробирки образуется пленка жидкости. Двигаясь вверх по стенке, она проникает внутрь пробирки, и в конце концов жидкость наполняет пробирку, так что уровни жидкости в пробирке и в сосуде, в который она погружена, оказывается одинаковыми. Рис. 10

Если, наоборот, в резервуар погружена пробирка, в которой уровень жидкого гелия выше, чем в самом резервуаре, то жидкий гелий, двигаясь по пленке, образующейся на внутренней поверхности пробирки, вытекает из нее, пока не выровняются уровни жидкости в пробирке и вне ее (рис 10,б).

Наконец, если пробирку с жидким гелием подвесить над уровнем жидкости в резервуаре (рис 10, в), то, благодаря пленке, гелий будет переходить по стенкам пробирки и каплями стекать в резервуар, пока весь гелий не вытечет из пробирки. Благодаря пленке, следовательно, жидкий гелий не может храниться в отдельном сосуде, все части которого находятся при температуре ниже λ-точки.

Толщина пленки, как показали измерения, равна приблизительно 2·10^-6 см, т. е. около 100 атомных слоев.

Интересно, что зависимость скорости течения жидкого Не ІІ по пленке от температуры имеет такой же вид ,как и для скорости течения в узких капиллярах. Так же, как и для этого последнего, скорость движения в пленке не зависит от разности высот. Наконец, для течения по пленке, так же как для течения через узкие капилляры, существует определенная критическая скорость, выше которой течение перестает быть безвязкостным. Все это позволяет считать, что течение жидкого гелия в узких капиллярах не является объемным, а происходит главным образом в пристенном слое и именно это течение и осуществляется сверхтекучей компонентой жидкого Не ІІ.

Явление образования пленок жидкости само по себе не является исключительным свойством жидкого Не ІІ. Многие другие жидкости также образуют такие пленки (керосин является наиболее известным примером). Причиной их образования являются силы взаимодействия между частицами жидкости и твердого тела. Но в обычных жидкостях вязкость препятствует образованию и движению пленок. В гелии же, благодаря сверхтекучести, пленка легко образуется и беспрепятственно движется. Таким образом, пленочное явление в жидком Не ІІ – это следствие главной его особенности – сверхтекучести.

Термомеханический эффект и жидком гелии ІІ. Мы уже отмечали, что движение жидкого гелия в пленке происходит при наличии разности температур и притом в направлении более высокой температуры. Это движение, как оказывается, является частным случаем так называемого термомеханического эффекта, который состоит в том, что когда в тонком капилляре с жидким гелием существует поток тепла, то в направлении, противоположном этому потоку, возникает поток жидкости.

Это явление легко наблюдать, например, в простом устройстве, схематически показанном на рис11. Сосуд с нагревателем внутри, снабженный капилляром, погружен в ванну с жидким гелием ( на рис. 11 сосуд изображен закрытым сверху, но он может быть и открытым). При отсутствии тока в нагревателе уровни жидкости в сосуде и вне его одинаковы. Но при включении тока в нагреватель рис. 11

создается поток тепла через гелий в капилляре, направленный к жидкости в ванне. Навстречу его возникает поток жидкого Не ІІ, и в результате уровень жидкости в сосуде повышается.

Особенно ярко термомеханический эффект проявляется в так называемом явлении фонтанирования. Соответствующее устройство для его наблюдения изображено на рис12. Оно представляет собой узкую длинную капиллярную трубку, нижняя часть которой расширена и полностью мелким темным порошком (например, наждачным). Трубка погружена в жидкий Не ІІ, как показано на рис. 12. Если направить на нижнюю широкую часть трубки пучок света, так чтобы порошок нагрелся, то тепло через жидкий гелий, заполняющий тончайшие каналы между частицами порошка, передается наружному гелию. Тогда в обратном направлении из ванны в трубку устремляется жидкий гелий и выходит в виде фонтана из ее верхнего открытого конца. Этот своеобразный насос может поднимать жидкость на высоту до 30 см.

Термомеханический эффект может наблюдаться и в таком устройстве, в котором роль тонкого капилляра играет пленка Не ІІ. Такой прибор показан на рис. 13.

Открытый цилиндрический сосуд, снабженный электрическим нагревателем, погружается в гелиевую ванну. Благодаря пленке он быстро наполняется жидким гелием, так что уровни жидкости в сосуде и вне его выравниваются. Если теперь пропустить через нагреватель электрический ток, то вдоль по пленке к наружному гелию пойдет поток тепла, а в противоположном

направлении возникает поток жидкости. Рис. 13

В результате уровень жидкости в сосуде повышается.

Только что описанное удивительное явление также может быть объяснено свойством сверхтекучести жидкого Не ІІ приводит к обеднению нагреваемой части сверхтекучей компонентой. Поэтому по обе стороны капилляра или пленки образуется разность концентраций этой компоненты. Поскольку вязкость ее равна нулю, то через капилляр или пленку происходит выравнивание концентраций.

Термомеханический эффект, таким образом, несколько напоминает явление осмоса, причем капилляр или пленка играют роль полупроницаемой перегородки.

Механотермический эффект. Наряду с только что описанным термомеханическим эффектом существует и обратный ему эффект, который можно назвать механотермическим эффектом (или механокалорическим). Он заключается в том, сто если по капилляру или по пленке течет жидкий Не ІІ, то в направлении, обратном этому потоку жидкости, возникает поток тепла. Вследствие этого гелий вытекает, и той, куда он втекает. Явление это можно наблюдать, например, в приборе, показанном на рис.14.

Закрытый (за исключением небольшого отверстия) сосуд, снабженный термометром сопротивления, погружается в резервуар с жидки Не ІІ. Через множество тончайших капилляров в порошке, закрывающем отверстие в нижней части сосуда, жидкий гелий проникает в сосуд и наполняет его до уровня жидкости в резервуаре. Если теперь приподнять сосуд над жидкостью в резервуаре, то жидкий гелий будет вытекать из сосуда через тонкие каналы в порошке. При этом термометр показывает повышение температуры жидкого гелия в верхней части сосуда. Это объясняется тем, что через рис. 14

тонкие каналы протекает главным образом сверхтекучая компонента, т. е. та часть жидкости, которая не обладает энтропией и, значит, находится в состояниях абсолютного нуля.

Очевидно, что если измерять температуру там, куда попадает вытекающий гелий, то окажется, что в этом месте температура понижается. Таким образом, «процеживание» жидкого гелия через тонкие капилляры может, по крайней мере принципиально, служить методом получения температур более низких, чем температура жидкого гелия.

Механотермический эффект в термодинамическом отношении, очевидно, обратен термомеханическому.

Теплопроводность жидкого гелия ІІ. Теплопроводность относится к числу тех свойств жидкого гелия, которые в λ-точке претерпевают резкое изменение. Жидкий Не І по своей теплопроводности (как и по вязкости) сходен с газами, и не только по численному значению коэффициента теплопроводности, но и потому, что для жидкого гелия, как и для газов, справедливо соотношение

где - коэффициент теплопроводности, η – коэффициент вязкости и - удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Но при переходе через λ-точку теплопроводность жидкого гелия внезапно возрастает приблизительно в 5·10⁶ раз, так что теплопроводность жидкого гелия оказывается в сотни раз больше, чем у лучших металлических проводников тепла. Жидкий Не ІІ, следовательно, не только сверхтекуч, но и «сверхтеплопроводен».

Однако легко видеть, что наблюдаемая теплопроводность вовсе не является теплопроводностью в обычном смысле этого слова и что перенос тепла в жидком Не ІІ осуществляется более сложным, чем теплопроводность, механизмом. В самом деле, для переноса тепла необходима, как мы знаем, разность температур. Но в жидком Не ІІ при наличии разности температур возникает поток сверхтекучей компоненты, направленный против потока тепла (термомеханический эффект). Передача тепла в жидком Не ІІ поэтому непременно сопровождается переносом массы жидкости, чего при обычной теплопроводности, конечно, не происходит. Значит, передача в жидком гелии осуществляется не столько теплопроводностью, сколько своеобразной конвекцией особыми потоками жидкости.

Существование таких потоков при переносе тепла было очень наглядно показано в опытах П. Л. Капицы (1941 г.). один из таких опытов схематически показан на рис15.

Небольшой стеклянный сосуд с впаянными нагревателем и термометром заканчивается в нижней своей части тонкой трубкой. Сосуд помещается в сосуд Дьюара с жидким гелием, а напротив конца трубки помещается легкое крылышко на тонком подвесе. На нити подвеса укреплено зеркальце, позволяющее наблюдать за закручиванием нити.

При пропускании тока через нагреватель и нагреве жидкости наблюдается поворот крылышка вместе с нитью подвеса. Это означает, что оно испытывает действие силы, которая может исходить только от струи жидкости, выходящей из трубки. Струя эта состоит, рис. 15

очевидно, из нормальной компоненты жидкого

Не ІІ, так как сверхтекучая компонента, неспособная изменять свой импульс, не может вызывать и силу.

Выходящая из сосуда струя нормальной компоненты должна, конечно, компенсироваться обратной струей компоненты (протекающей, по-видимому, в пристенном слое трубки). Но эта струя, направленная в сторону источника тепла, на крылышко не действует и непосредственно не обнаруживается.

Таким образом, перенос тепла в жидком Не ІІ связан со сложными движениями в жидкости, и именно они обеспечивают необычайно высокую кажущуюся теплопроводность жидкого Не ІІ. Этими движениями, по-видимому, объясняется и прекращение видимого кипения жидкого гелия при переходе через λ-точку.

Естественно, что характер потоков жидкости, а значит и теплопередача в жидком Не ІІ должны зависеть от толщины капилляров, так как в очень тонких трубках возможно течение только сверхтекучей компоненты. Теплопередача должна зависеть также от скорости потоков, так как при скорости выше критической течение перестает быть безвязкостным даже для сверхтекучей компоненты.

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. 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 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. И.В. Савельев. т.1. Механика. Молекулярная физика. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989Г.

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 156; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 45

Мы поможем в написании ваших работ!