15.5. Диаграмма состояний гелия. Сверхтекучесть жидкого гелия.

Сверхтекучесть жидкого гелия была открыта и изучена в 1938 году П.Л. Капицей. Квантовую теорию эффекта в 1941 году предложил Л.Д. Ландау. За открытие этого явления и создание его теории Капица (1978) и Ландау (1962) были удостоены Нобелевской премии по физике.

Вы уже знаете. Что жидкий гелий существует в области не только низких, но и сверхнизких температур, сколь угодно близких к . Таким образом, гелий – самая холодная жидкость в природе. В экспериментальной физике гелий используется при многих исследованиях, требующих низких температур. Особенно важно использование гелия при исследовании сверхпроводимости и создания условий для эксплуатации сверхпроводящих магнитов. Ярким примером использования жидкого гелия служит система Большого адронного коллайдера, созданного международным проектом ЦЕРНа. Для удержания пучков протонов, разгоняемых до почти световой скорости в 27-километровом кольце ускорителя нужны настолько мощные магниты, которые могут быть созданы лишь из сверхпроводников. Рабочая температура магнитов составляет около 1,9и поэтому может быть достигнута только в контакте с жидким гелием. Диаграмма состояний гелия представлена на рис. 15.4.

Рис.15.4.

Гелий может существовать в газообразной, твердой и двух жидких модификациях:

IиII. Обращает внимание отсутствие на диаграмме состояний гелия кривой возгонки. Если охлаждать жидкий гелийII, то при определенной температуре (зависящей от внешнего давления) он превращается в жидкий гелийII. Этот переход осуществляется по линии. Жидкость остается жидкостью, её плотность не меняетсяи отсутствует скрытая теплота перехода. Нет ни одного признака фазового перехода первого рода. Зато обнаруживается скачок теплоемкости в окрестности температуры фазового перехода.

Рис.15.5.

Зависимость жидкого гелия приведена на рис. 15.5. Это явный признак-перехода, или перехода второго рода.

IIявляется бесцветной прозрачной жидкостью и не отличается по внешнему виду отI. Единственное внешнее отличие наблюдается в точке кипения при атмосферном давлении.Iинтенсивно кипит по всему объему, в то время какIIобразует спокойную поверхность без образования пузырьков в объеме жидкости. Все превращения жидкости в пар происходят на границе фаз, это является следствием сверхтеплопроводностиII.

Самым важным и поразительным свойством IIявляется, конечно же, его сверхтекучесть [7]. Сверхтекучий гелий не обладает вязкостью. Он без трения протекает через узкие капилляры и щели. В то же времяIIоказывает сопротивление движущимся в нем телам. Это кажущееся противоречие находит свое разрешение в следующем обстоятельстве. Оказывается, жидкость состоит из двух компонент – нормальной (вязкой) и сверхтекучей, которые взаимно проникают друг в друга.

При течении через узкий капилляр нормальная компонента покоится относительно стенок сосуда, а сверхтекучая компонента движется без трения. Относительно макроскопических тел движутся обе компоненты, поэтому появляется сила вязкого трения, направленная против направления скорости движения тела.

Плотность жидкого гелия IIравна сумме плотностей нормальной и сверхпроводящей компонент

Полная плотность не зависит от температуры, но её распределение междуисильно зависит от температуры. Присуществует только сверхтекучая компонента, при температуре-перехода - только нормальная компонента. Поэтому на линиисверхтекучесть исчезает.

Свойство сверхтекучести проявляется лишь при достаточно малых скоростях течения, не превышающих некоторой критической скорости. Сверхтекучесть определяет и сверхтеплопроводность II, поскольку передача теплоты в нем осуществляется не в процессе тепловой диффузии (теплопроводности), а конвективными потоками сверхтекучей жидкости. В результате теплопроводность гелия в сотни раз превышает теплопроводность серебра.

Гелий IIобладает еще целым рядом интереснейших свойств, с некоторыми из них вы можете познакомиться в [1].

Сверхтекучесть – сугубо квантовое явление, не объясняемое классической физикой. Гелий II– это единственная квантовая жидкость. При теоретическом рассмотрении адекватной моделью материального тела является конденсат идеального газа, подчиняющегося статистике Бозе-Эйнштейна. Обсуждение этой модели выходит за рамки данного курса.

Контрольные вопросы

1. Какие превращения называются полиморфными? Приведите примеры.

2. Приведите примеры фазовых переходов первого и второго рода.

3. Назовите три признака равновесия фаз.

4. Сформулируйте условие равновесия фаз химически однородного вещества.

5. Дайте классификацию фазовых переходов по Эренфесту.

6. Какие свойства вещества могут меняться скачкообразно при фазовых переходах а) первого рода, б) второго рода?

7. Что называется диаграммой состояния? Поясните на рисунке. Какая точка на диаграмме называется тройной точкой? Сколько тройных точек может содержать диаграмма состояния.

8. Какую информацию можно получить с помощью фазовой диаграммы вещества?

9. Почему кривая испарения заканчивается критической точкой, а кривая плавления такой точки не имеет?

10. Запишите уравнение Клапейрона-Клаузиуса, поясните его смысл.

11. Каким способом можно вывести уравнение Клапейрона-Клаузиуса? К каким фазовым превращения оно применимо?

12. Опишите -переход в жидком гелии. Как проявляется сверхтекучестьII? Какие интересные свойства жидкого гелия вам известны?

ЛЕКЦИЯ 16

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В РЕАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ