Почему гелий проникает сквозь стенки сосуда при охлаждении ниже −271 °C?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Когда температуру гелия-4 опускают ниже приблизительно 2,17 К (−271 °C), он переходит в состояние сверхтекучести, при котором проявляются поразительные «аномалии» поведения вещества. Одной из самых удивительных является способность гелия просачиваться сквозь стенки кажущегося герметичным сосуда и «ползти» по его стенкам, пока совершенно не выльется наружу.

Когда жидкий гелий пребывает в состоянии сверхтекучести, он заполняет чашку особым образом. Вещество начинает подниматься по внутренним стенкам сосуда в виде едва заметной плёнки. Достигнув края чашки, плёнка продолжает своё движение, перетекая на внешнюю сторону стенки. Затем она стекает вниз, скапливаясь под дном в виде капли, которая в итоге падает обратно в чашку. Процесс повторяется до тех пор, пока ёмкость не опустеет.
Автор: AlfredLeitner Источник: ru.wikipedia.org

Переход в состояние гелия II и сверхтекучесть

При достижении температуры λ-точки (2,172 K) жидкий гелий-4 испытывает фазовый переход второго рода, разделяющий нормальную жидкость (гелий I) и сверхтекучий гелий II. В состоянии гелия II жидкость распадается на две компоненты: обычную фракцию с ненулевой вязкостью и сверхтекучую компоненту с нулевой вязкостью и энтропией. Доля сверхтекучей компоненты растёт при охлаждении от λ-точки к нулю, и уже при температуре около 1 K гелий-4 практически полностью состоит из сверхтекучей фракции.

Сверхтекучесть объясняется накоплением большого числа атомов 4He в основном квантовом состоянии (конденсат Бозе-Эйнштейна), при котором эффекты квантовой статистики начинают доминировать над тепловыми флуктуациями. В результате жидкость течёт без внутрений трения и может проникать через узкие щели и поры без сопротивления.

Механизм ползучего эффекта (Rollin film)

На границе между жидкостью и стенкой сосуда образуется сверхтонкая («ползучая») пленка гелия II толщиной около 30 нм, именуемая Rollin film (пленка Роллино). Под действием ван-дер-ваальсовых сил эта пленка «ползёт» по поверхности стенки, преодолевая гравитационные и вязкие силы. Вязкость сверхтекучей компоненты равна нулю, поэтому капиллярные силы легко перемещают жидкость вверх и через любые микропоры толщиной от десятков до сотен нанометров.

Квантово-гидродинамическое уравнение для сверхтекучей компоненты отражает, что её движение определяется не только градиентом давления и гравитацией, но и градиентом мольного химического потенциала, что и порождает фонтанный эффект и «просачивание» через стенки.

Со временем уровни жидкости в двух контейнерах становятся одинаковыми. Интересно, что плёнка Роллино покрывает не только поверхность, но и внутреннюю часть большего контейнера. Если бы ёмкость не была герметичной, гелий II постепенно покинул бы её, «выбравшись» наружу.
Автор: Aarchiba; Júlio Reis Источник: ru.wikipedia.org

Проявление просачивания через стенки сосуда

Когда сосуд с жидким гелием II имеет микропоры размером порядка 1 мкм или меньше, пленка Роллино легко проникает сквозь них и выходит наружу. При этом гелий II вытекает, пока уровни внутри и снаружи не сравняются, несмотря на то что классическая механика предсказывала бы замедление потока из-за капиллярных препятствий. В эксперименте эффект наблюдался ещё в начале XX века, когда Х. Камерлинг-Оннес заметил, что жидкий гелий «как бы исчезает» внутри открытых капиллярных систем.

В современных исследованиях ограничение потока через нанопористую мембрану с порами менее 0,7 нм обнаруживает зависимость критической скорости от поперечного размера канала, что свидетельствует о квантовом характере взаимодействия сверхтекучей компоненты с границами.

Фонтанный эффект и термодинамические аспекты

При нагреве сверхтекучего гелия II на дне сосуда образуется давление (фонтанное), направленное вверх по пленке Rollin, что приводит к подъёму жидкости на высоту, соответствующую разности мольных потенциалов и гравитационному давлению.

При температуре около λ-точки фонтанное давление достигает 0,692 бар, что эквивалентно столбу жидкости высотой 56 м. Именно фонтанное давление зачастую преобладает над гравитацией, объясняя сильную склонность гелия II «выливаться» из открытых сосудов.

Проявление эффекта фонтана можно наблюдать, если капиллярную трубку, герметично закупоренную с одного конца с помощью супертечки, поместить в ёмкость со сверхтекучим гелием и подвергнуть нагреву. Под воздействием тепла гелий устремляется вверх по трубке и распыляется, словно из фонтана.
Автор: Petro Halusyak Источник: ru.wikipedia.org

Значение и применение явления

Сверхтекучий гелий II, способный протекать через микропоры и поддерживать сверхвысокую теплопроводность, применяется для охлаждения сверхпроводящих магнитов (например, в Большом адронном коллайдере) и болометров астрофизических спутников. Его способность образовывать самостоятельные потоки без трения и квантованных вихрей лежит в основе фундаментальных исследований в квантовой гидродинамике и технологии ультранизких температур.

Изображение в превью:
Автор: AlfredLeitner
Источник: ru.wikipedia.org
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Почта для связи — gorbov.busines@yandex.ru

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Туринская плащаница Дани Рязанова: как молодой художник из Петербурга рисует огнем

Раньше, наблюдая за современным художественным процессом, казалось, что молодые художники стремятся как можно дальше уйти от «навязанных» канонов, отказаться от всего, чем пользовались мастера...

Детальное изучение мозга чемпиона по памяти раскрыло нейробиологию его трюков

Рабочая память человека имеет свои физиологические ограничения. Исторически в когнитивной психологии этот предел описывался формулой «семь плюс-минус два элемента». Вы можете легко удержать в...

Эффект странника: как навыки ориентации в пространстве породили у человека геометрическое мышление

Со времен Платона геометрия считалась высшим проявлением абстрактного мышления. В диалоге «Менон» философ просит необразованного мальчика-раба удвоить площадь квадрата — и тот, опираясь...

Каньон Антилопы: почему он самый извилистый и фотогеничный в мире

В Аризоне, на землях индейцев навахо, находится место, любимое фотографами со всего мира. Каньон Антилопы вы наверняка хоть раз видели на заставке своего компьютера. Microsoft вносила его виды в...

Почему кофе и чай бодрят: взгляд с точки зрения науки

Вы когда-нибудь замечали, что после чашки кофе фокусировка внимания резко обостряется, но уже через полчаса ясность мысли начинает неумолимо угасать? Эти «американские горки» связаны с конкретными...