Сжижение газов 2 (стр. 6 из 8)

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,lи r – длина и радиус трубки, η – вязкость жидкости. Скорости течения, следовательно, при данной вязкости растет с увеличением Δpи 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.