Сжижение газов 2 (стр. 7 из 8)

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 нарис. 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.