Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Рідкий гелій



План:


Введення

Рідкий гелій являє собою безбарвну прозору рідину, киплячу при атмосферному тиску при температурі 4,2 К [1] [2] (рідкий 4 He). Щільність рідкого гелію при температурі 4,2 К становить 0,13 г / см . Володіє малим коефіцієнтом заломлення, через що його важко побачити. При нормальному тиску гелій не твердне навіть при як завгодно низькій температурі. Твердий гелій в α-фазі вдається отримати лише при тиску вище 25 атм.


1. Історія досліджень


2. Фізичні властивості

Фізичні властивості гелію сильно відрізняються у ізотопів 4 He і 3 He:

Властивість 4 He 3 He
Температура плавлення, К 2,0 (3,76 МПа) 1,0 (3,87 МПа)
Температура кипіння, К 4,215 3,19
Мінімальний тиск плавлення, атм 25 29 (0,3 K)
Щільність газоподібного, кг / м 3 0,178 0,134
Щільність рідкого, кг / м 3 145 (0 К) 82,35
t крит, К 5,25 3,35
p крит, МПа 0,23 0,12
d крит, кг / м 3 69,3 41,3

3. Властивості гелію-4

Рідкий гелій

Рідкий гелій - квантова рідина ( бозе-рідина), тобто рідина, в макроскопічному обсязі якої проявляються квантові властивості складових її атомів. Квантові ефекти істотні при дуже низьких температурах.

Вище температури 2,17 К 4 Не поводиться як звичайна кріожідкость, тобто кипить, виділяючи бульбашки газу. При досягненні температури 2,17 К (при тиску парів 0,005 МПа - так звана λ-точка) рідкий 4 Не зазнає фазовий перехід другого роду, що супроводжується різкою зміною ряду властивостей: теплоємності, в'язкості, щільності та ін У рідкому гелії при температурі нижче температури переходу одночасно співіснують 2 фази, Не I і Не II з сильно розрізняються властивостями.


3.1. Надтекучість і сверхтеплопроводность

Фазовий перехід в гелії добре помітний, він проявляється в тому, що кипіння припиняється, рідина стає скоєно прозорою. Випаровування гелію, звичайно, триває, але воно йде виключно з поверхні. Різниця в поведінці пояснюється надзвичайно високою теплопровідністю надтекучої фази (в багато мільйонів разів вище, ніж в Не I). При цьому в'язкість нормальної фази залишається практично незмінною, що випливає з вимірів в'язкості методом коливного диска. Зі збільшенням тиску температура переходу зміщується в область більш низьких температур. Лінія розмежування цих фаз називається λ-лінією. На малюнку приведена фазова діаграма 4 Не.

Для Не II характерна надтекучість - здатність протікати без тертя через вузькі (діаметром менше 100 нм) капіляри і щілини. Відносний вміст Не II зростає з пониженням температури і досягає 100% при абсолютному нулі температури - з цим були пов'язані спроби отримання наднизьких температур пропусканням рідкого гелію через дуже тонкий капіляр, через який пройде тільки надтекуча компонента. Однак, за рахунок того що при температурах, близьких до абсолютного нуля, теплоємність також прагне до нуля, домогтися істотних результатів не вдалося - за рахунок неминучого нагрівання від стінок капіляра і випромінювання. За рахунок надтекучості і досягається аномально висока теплопровідність гелію - теплообмін йде не за рахунок теплопередачі, а за рахунок конвекції надтекучої компоненти в противоток нормальної, яка переносить тепло (надтекуча компонента не може переносити тепло). Це властивість відкрито в 1938 П. Л. Капіцею.

Гелія в проміжному стані між цими двома в природі не існує: або він при абсолютному нулі, або він в іншому стані, нормальному. Гелій в сверхтекучем стані не може тиснути на заслінку, і взагалі надтекуча рідина не може виробляти ніякого тиску, так як це рідина, в'язкість якої дорівнює нулю, - ми її динамічними методами виявити не можемо. [4]

3.2. Другий звук

За рахунок одночасної наявності двох фаз в рідкому гелії, є дві швидкості звуку і специфічне явище - так званий " другий звук ". Другий звук - слабозатухающіе коливання температури і ентропії в сверхтекучем гелії. Швидкість поширення другого звуку визначається з рівнянь гідродинаміки сверхтекучей рідини в двокомпонентної моделі. Якщо знехтувати аномально малим для гелію коефіцієнтом теплового розширення, то у хвилі другого звуку осцилюють тільки температура і ентропія, а щільність і тиск залишаються постійними. Поширення другого звуку не супроводжується перенесенням речовини.

Другий звук можна також інтерпретувати як коливання концентрації квазічастинок в сверхтекучем гелії. У чистому 4 He це коливання в системі ротони і фононів.

Існування другого звуку було передбачене теоретично Ландау, розрахункове значення дорівнювало 25 м / с. Фактично виміряний - 19,6 м / с [4].


4. Властивості гелію-3

Рідкий гелій-3 це квантова фермі-рідина, тобто вона складається з частинок ферміонів зі спіном . У таких системах надплинність може здійснюватися за певних умов, коли між ферміонами є сили тяжіння, які призводять до утворення зв'язаних станів пар ферміонів, т. зв. куперовських пар ( ефект Купера).

Куперовських пари мають цілу спіном, тому можуть утворювати Бозе-конденсат. Надтекучість такого роду здійснюється для електронів в деяких металах і носить назву надпровідності. Аналогічна ситуація має місце в рідкому 3 He, атоми якого мають спин і утворюють типову квантову фермі-рідина. Властивості фермі-рідини можна описати як властивості газу квазічастинок- ферміонів з ефективною масою приблизно в 3 рази більшою, ніж маса атома 3 He. Сили притягання між квазічастинками в 3 He дуже малі, лише при температурах порядку декількох мК в 3 He створюються умови для утворення куперовських пар квазічастинок і виникнення надплинності. Відкриттю надтекучості у 3 He сприяло освоєння ефективних методів отримання низьких температур - ефекту Померанчука і магнітного охолодження. З їх допомогою вдалося з'ясувати характерні особливості діаграми стану 3 He при наднизьких температурах. Перехід нормальної фермі-рідини в фазу А являє собою фазовий перехід II роду ( теплота фазового переходу дорівнює нулю). У фазі A утворилися куперовських пари володіють спіном 1 і відмінним від нуля моментом імпульсу. В ній можуть виникати області із загальними для всіх пар напрямами спинів і моментів імпульсу. Тому фаза А є анізотропною рідиною. У магнітному полі фаза А розщеплюється на дві фази (A 1 і A 2), кожна з яких також є анізотропної. Перехід з надтекучої фази А в надплинну фазу В є фазовим переходом I роду з теплотою переходу ~ 1,5 10 -6 дж / моль. Магнітна сприйнятливість 3 He при переході А → В стрибком зменшується і продовжує потім зменшуватися з пониженням температури. Фаза В є, мабуть, ізотропної.


5. Зберігання та транспортування

Рідкий гелій перевозять в спеціальних транспортних судинах ( Посудина Дьюара) типу СТГ -10, СТГ-25, СТГ-40 і СТГ-100 світло-сірого кольору об'ємом 10, 25, 40 і 100 літрів відповідно. Судини з рідким гелієм повинні транспортуватися і зберігатися у вертикальному положенні.

Гелій в судинах Дьюара завжди зберігається під невеликим тиском, за рахунок природного випаровування рідини - це дозволяє в разі невеликої негерметичності не допустити забруднення гелію снігом з повітря. Надлишковий тиск стравливается через клапан. На практиці, так як гелій досить дорогий, то щоб газ не випускати в атмосферу, на головній частині дьюара розміщується сполучна частина для під'єднання дьюара до гелієвої мережі, по якій газоподібний гелій збирається для повторного використання. Як правило, на цьому ж сайті кріпиться манометр для контролю тиску і аварійний клапан.

Гелієві дьюар перевертати не можна, для переливання вмісту застосовують спеціальні сифони.

Гелій має дуже низьку теплоту випаровування (в 20 разів менше, ніж у водню), але зате високу теплопровідність. Тому до якості теплоізоляції гелієвих дьюар пред'являються високі вимоги. При пошкодженні вакуумної ізоляції (особливо, якщо у порожнину потрапляє гелій) рідина так бурхливо скипає, що дьюар може лопнути (вибухнути). Як правило, для зниження втрат гелію на випаровування, використовується "азотна сорочка" - безпосередньо у вакуумній порожнини посудини Дюара розташована ще одна оболонка, яка охолоджується киплячим рідким азотом (температура 77К). За рахунок цього вдається істотно скоротити тепловий обмін між гелієм і атмосферою.


6. Застосування рідкого гелію

Рідкий гелій використовується для охолодження надпровідних магнітів в сучасних ЯМР томографах
  • кріожідкость для отримання та підтримання низьких і наднизьких температур (в основному в наукових дослідженнях);
  • охолодження детекторів інфрачервоного та високочастотного випромінювання, сквид-магнетометр;
  • медична техніка.

Примітки

  1. Хімічна енциклопедія. В 5-ти тт. / Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) - М .: Радянська енциклопедія, 1988. - Т. 1. - С. 513-514. - 623 с. - 100 000 прим .
  2. Реперні точки ВПТШ-76 - window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt? p_id = 22744 & p_page = 3
  3. Наука і техніка: Фізика / Надтекучість - www.krugosvet.ru / enc / nauka_i_tehnika / fizika / SVERHTEKUCHEST.html
  4. 1 2 Академік П. Л. Капіца, Властивості рідкого гелію - vivovoco.rsl.ru / VV / PAPERS / NATURE / HELIUM.HTM
  5. LHC Guide booklet "CERN - LHC: Facts and Figures". CERN. Guide booklet. Retrieved on 2008-04-30.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Рідкий водень
Рідкий кисень
Рідкий азот
Гелій
Гелій-4
Гелій-3
Твердий гелій
Чернов, Гелій Васильович
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru