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

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.
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.
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.
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

Легенда М-306С: почему советский кассетник 3-го класса воспроизводил любые ленты одинаково

В истории советского аудиостроения перестроечных лет найдется немало аппаратов с непростой судьбой, но стереофонический кассетный магнитофон «Легенда М-306С» занимает среди них особое место. Его...

Вселенная может схлопнуться иначе: почему физики 50 лет упускали из виду другую форму распада вакуума

В квантовой физике вакуумом называют не абсолютную пустоту, а состояние квантового поля с минимально возможной энергией. Однако у поля может быть сразу несколько состояний, в которых оно способно...

Физики наконец выяснили, как именно возникает статическое электричество при ударе одинаковых предметов

Когда два твердых предмета ударяются друг о друга или трутся поверхностями, между ними переходит электрический заряд. В повседневной жизни мы замечаем это, когда синтетическая одежда начинает...

Канат под улицей: как в 1873 году появились знаменитые трамваи Сан-Франциско

Ранним утром 2 августа 1873 года на Клей-стрит было почти пусто. В четыре часа небольшой вагон подошёл к верхней части одного из крутых сан-францисских склонов. Лошади перед ним не было,...

Обсерватория Веры Рубин открыла своего первого кандидата в карликовые планеты Солнечной системы: почему его не замечали 10 лет

В октябре 2026 года астрономы объявили об открытии крупного небесного тела на дальних окраинах Солнечной системы. Объект получил временное рабочее название 2026 ED138. Он обращается вокруг Солнца...

«Мелодия-106»: парадоксы первого в СССР музыкального центра первого класса

В 1978 году Рижский радиозавод имени Попова начал выпуск «Мелодии-106-стерео». В одном корпусе объединили радиоприёмник диапазонов ДВ, СВ, КВ I—III и УКВ, кассетную панель на венгерском ЛПМ,...