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

Утюг или отпариватель – что выбирают пользователи в 2026 году

Вопрос «утюг или отпариватель» в 2026 году уже не звучит как выбор между старым и новым устройством. Это скорее отражение того, как изменился сам подход к уходу за одеждой. Пользователи не просто...

Терраформирование Марса физически возможно: разбор новой дорожной карты и главных рисков проекта

Изменение климата Марса долгое время обсуждалось исключительно в теоретическом формате. Однако снижение стоимости вывода грузов на орбиту и повышение точности климатических моделей позволили...

Эталонные российские часы: бренд МОРПРИБОР выпустил лимитку в честь основания Российского флота

Компания МОРПРИБОР продолжает развивать тему российского мореходства, и на этот раз новая модель часов «Эталонный» отсылает нас на 330 лет, в Петровские времена, чтобы мы вспомнили, что в 1696 году...

Нужный инструмент вместе: обзор вместительной сумки AIRAJ для хранения и переноски инструментов

Надоело, что инструмент валяется как попало, батарейки и биты не найти когда нужны. Собрал весь инструмент в одну сумку. Речь идет про удобную непромокаемую и недорогую сумку для хранения и...

В Московском Манеже открылась выставка, посвященная 80-летию Владимира Жириновского

В апреле отмечается две памятных даты, связанных с Владимиром Жириновским: 6 апреля - день памяти, а 25 - апреля 2026 года ему могло бы исполниться 80 лет.

4К видео для созвонов: обзор вебкамеры Ugreen CM831

В наше время удаленной работы и постоянных созвонов с коллегами нужно иметь хорошую веб камеру. Даже в случае ноутбука иногда лучше купить внешнюю камер, чтобы качество изображения было лучше....