Сверхтекучесть гелия

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Великолукская ГСХА»

Кафедра химии, агрохимии и агроэкологии

Реферат

на тему «Сверхтекучесть гелия»

Выполнил:

Студент I курса

Инженерного факультета

Кривогузов Дмитрий Юрьевич

Научный руководитель:

профессор - Иванова Т.А.

Великие Луки - 2012

П.Л. Капица открыл в 1938 г. явление сверхтекучести гелия, которое состоит в способности жидкости He-II протекать без трения через узкие щели и капилляры. Гелий - вещество с самой низкой критической температурой (T_кр=5,2 К, p_кр=0,23 Мпа). Он может быть переведен в твердое состояние только при давлениях, превышающих 0,5 Мпа. В зависимости от давления температура перехода He-I в He-II, изменяется от 0,17 К при давлении насыщенного пара, равном 5,1 кПа, до 1,78 К при давлении, равном 3,04 Мпа.

Гелий-I ведет себя так же, как и другие сжиженные газы при низких температурах (например, водород, неон, и др.). Его теплопроводность невелика [4 МДж/(К*м*с)], а вязкость хотя и мала, но отлична от нуля. Теплопроводность He-II необычайно велика. Она превосходит теплопроводность He-I во много миллионов раз. Вязкостные свойства He-II весьма своеобразны. С одной стороны, он обладает свойством сверхтекучести, а с другой, как показывают опыты, он имеет отличную от нуля вязкость, при температурах, близких к Т_л.

Л.Д. Ландау в 1941 году разработал теорию сверхтекучести, согласно которой Hе-II представляет собой совокупность двух взаимопроникающих жидкостей: нормальной и сверхтекучей.

Сверхтекучая компонента не участвует в переносе энергии и движется без трения, свободно проникая через узкие щели и капилляры. Нормальный компонент He-II обладает вязкостью и участвует в переносе энергий.

Соотношение между нормальной и сверхтекучей компонентами зависит от температуры: при Т=0К весь He-II состоит только из сверхтекучей компоненты, а при Т=Т_л - только из нормальной.

При Т<Т_л есть обе компоненты He-II, которые движутся независимо друг от друга. гелий сверхтекучесть механокалорический ландау

Теория Ландау позволила объяснить многие особенности свойств He-II. Его сверхтекучесть связана с тем, что через узкие щели и капилляры перетекает лишь сверхтекучая компонента, движущаяся без трения, а нормальная в силу своей вязкости практически через них не течет.

Огромная теплопроводность He-II обусловлена одновременным существованием в нем компенсирующих друг друга потоков - потоков нормальной и сверхтекучей компонент. Нормальная компонента движется в направлении убывания температуры, а сверхтекучая - в противоположном направлении.

При протекании He-II по капиллярной трубке из сосуда А в сосуд В наблюдается механокалорический эффект, состоящий в том, что температура в сосуде А повышается, а в сосуде В понижается.

Причина этого явления в том, что по капилляру перетекает из А в В сверхтекучая компонента He-II, не переносящая энергию. Поэтому вся внутренняя энергия гелия, остающегося в сосуде А, распределяется на меньшую массу, что приводит к повышению температуры в этом сосуде. Наоборот в сосуде В масса гелия увеличивается, а температура соответственно понижается.

Теория Ландау позволила предсказать существование в He-II второго звука, экспериментально обнаруженного В.П. Пешковым (1944). В отличие от обычных звуковых волн - распространяющихся в среде колебаний плотности и давления - второй звук представляет собой распространяющиеся в He-II колебания плотности нормальной компоненты He-II и соответственно его температуры.

Следует сказать, что только квантовая теория объяснила, почему именно гелий является единственной незамерзающей жидкостью при очень низких температурах и нормальном давлении. Квантовая теория показывает, что в отличие от классических представлений при любой как угодно низкой температуре вещества (в том числе при Т=0 К) существуют «нулевые» колебания атомов и молекул. Им соответствует некоторая «нулевая энергия», которую невозможно отнять у вещества. Ответ на вопрос о том, остается ли вещество вблизи 0 К жидким или твердым, зависит от того, что играет определяющую роль - межмолекулярное притяжение, вызывающее образование кристаллической решетки, или «нулевые колебания», препятствующие этому образованию.

В гелии силы взаимодействия между атомами весьма слабы, а «нулевые колебания» вследствие легкости гелиевых атомов весьма интенсивны. Поэтому при обычных давлениях кристаллическая решетка в гелии не образуется и он не замерзает. При очень низких температурах тепловое движение в гелии рассматривается как совокупность некоторых элементарных «тепловых возбуждений». В квантовой теории доказано, что энергия тепловых возбуждений может изменяться лишь порциями - квантами.

Нагревание He-II от Т=0 К до некоторой малой температуры должно привести к появлению в нем «элементарных возбуждений». С появлением этих возбуждений связаны запас внутренней энергии в жидкости и существование в ней трения.

Нормальная часть жидкого He-II представляет собой ту часть жидкости, в которой возникают элементарные тепловые возбуждения. Однако из детального рассмотрения элементарных возбуждений в гелии, основанного на законах сохранения энергии и импульса, следует, что возможны состояния He-II, в которых «элементарные возбуждения» не возникают. Этим состояниям соответствует сверхтекучая часть гелия.

Применение гелия в состоянии сверхтекучести весьма перспективно. Уже выдан патент №250115 на применение жидкого гелия в состоянии сверхтекучести в качестве смазки подшипников жидкостного трения; бурное развитие криогенной техники позволяет надеяться, что явление сверхтекучести, как и явление сверхпроводимости, найдет разнообразное применение.

Список литературы

1. Ахметов Н.С. «Неорганическая химия». Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высшая школа», 1975

2. Глинка Н.Л. «Общая химия». Учебное пособие для ВУЗов. - 20-е изд., испр./Под ред. Рабиновича В.А.--Л.:Химия, 1979.

3. Jonathan Livingston Project [Электронный ресурс]. - 2009 - Режим доступа: http://www.jlproj.org, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Размещено на Allbest.ru