На какую величину изменилась температура гелия

Что это за температура -273,15 °C., и почему ниже быть не может. Что такое температура, а также необычные свойства веществ при критических состояниях.

Что же такое температура? Температура- это движение, движение частиц. Ведь тепло это тоже движение, вспомните даже себя, когда вам холодно. Непроизвольное подёргивание мышц – ни что иное, как попытка организма согреть себя.
Фаренгейт. Немецкий физик, в честь которого и названа шкала на градуснике. Фаренгейт взял смесь воды со льдом, добавил туда хлорида аммония (по сути соль) и принял получившуюся температуру за “ноль” на своей шкале. Число 100 означало температуру человеческого тела в здоровом состоянии. В итоге получилось следующее. Температура человеческого тела в здоровом состоянии +97,9 °F (позже были внесены поправки), кипение воды происходит при +212 °F, лед тает при +32 °F. Что двигало этим человеком, когда он создавал свою шкалу, непонятно… Очень “удобная” система измерений. Всего пять стран до сих пор пользуются этой шкалой в качестве основной: Багамы, Белиз, Острова Кайман, Палау, США. Имперские системы измерений вообще не отличаются своей простой. Ну да ладно, их проблемы.
Цельсий. Шведский ученый сделал все гораздо проще, и спасибо ему за это. Отправная точка, или “ноль” была принята за температуры таяния льда, а температура кипения воды указывала на цифру 100 на шкале, что несомненно гораздо удобнее и именно благодаря этому весь мир (почти) использует шкалу Цельсия как основную.

Шкалы Цельсия и Фаренгейта пересекаются в точке -40 градусов, где указывают на одинаковую температуру.

Температура. Изначально ученые придерживались мнения, что температура — это некая субстанция, находящаяся в организмах и предметах. И чем больше этой субстанции, тем выше температура и наоборот. Имя этой субстанции было теплород. Поэтому, температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами. Сейчас-то мы конечно знаем, что никакого теплорода не существует, а температура представляет собой – колебания частиц. И чем выше колебания, тем выше температура.

Тепловые колебания сегмета альфа-спирали белка: амплитуда колебаний увеличивается с повышением температуры. Разогрев очень сильно вы разорвете связи в атомах, тем самым разрушив структуру.

Нагревая, например, длинный железный прут, он будет повышать свою температуру постепенно. Начиная с места нагрева, атомы в решетке железа будут производить колебания, постепенно подталкивая (раскачивая) соседние атомы, а те соседние от них и так далее, пока, нагрев не затронет атомы на другом конце прута. При чем место нагрева будет всегда горячее краев, так как часть тепла будет рассеиваться в окружающую среду.

Каждый человек, как известно выделяет тепло. Суммарное тепло вашего тела примерно равно теплу лампочки накаливания в 40-60 Ватт. Взглянув, следующий раз, на толпу людей, представьте сколько тепла пропадает зря).

В итоге получается так: чем выше колебания, тем выше температура. Отсюда можно сделать обратный вывод, чем ниже колебания, тем ниже и сама температура. Проведя некоторые расчеты, можем вычислить минимальную температуру. Никакое тело или объект не будет излучать тепло ни в каком диапазоне волн, т.е. вся структура любого объекта будет полностью неподвижна создав температуру равную -273,15 °C (абсолютный ноль). Почему создав? Именно объекты создают температуру. И именно тепло переходит от более горячего объекта к более холодному и никогда наоборот. Другими словами, двигается не холод, а тепло (очень утрировано конечно). Т.е. впустив холодный воздух Зимой в квартиру, вы одновременно выпускаете тепло на улицу. А вся воздушная масса в вашей квартире выравнивается по температуре, отдавая свою энергию от более теплых молекул к более холодным, понижая общие колебания. На практике правда еще не удавалось получить температуру равную абсолютному нулю, это всего лишь высчитанное значение. Но мы приблизились почти до самых пределов недобрав каких-то там сотых частей до минимума.

Сверхтекучесть. Как известно существует всего три состояния вещества (агрегатных состояния): газ, жидкость и твердое тело. Все эти три состояния достаточны для обывателей (для нас с вами). По факту же их больше. Плазма – четвертое агрегатное состояние. В нее переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Солнце, например, представляет из себя плазму. Аморфные тела, или аморфное состояние – Это тела, которые сохраняют структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму. Примером стабильного аморфного тела служит стекло, естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.
Низкотемпературные состояния. Всего их несколько, но нам интересно только одно: Сверхтекучесть. При приближении к температуре близкой к абсолютному нулю, вещества начинают вести себя не так как обычно, проявляя новые свойства. У некоторых металлов появляется сверхпроводимость, у гелия появляется сверхтекучесть. Гелий становится не просто жидкостью, он становится квантовой жидкостью.

Гелий очень необычное вещество. Помимо жидкого гелия, можно получить так же его твердое состояние. Твёрдый гелий — состояние гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю и давлении, значительно превышающем атмосферное. Гелий — единственный элемент, который не затвердевает, оставаясь в жидком состоянии, при атмосферном давлении и сколь угодно малой температуре. Переход в твёрдое состояние возможен только при давлении более 25 атм.

Надеюсь было полезно и интересно.

Понравился материал? поставьте лайк- вам нетрудно, а мне приятно, так я буду понимать, что материал интересен и делать больше подобных выпусков.
Слева кнопки- можно поделится в соцсетях.
Больше интересного в других статьях.
Подписка – плюсик в вашу карму.

Источник

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 марта 2019; проверки требуют 2 правки.

Жи́дкий ге́лий — жидкое агрегатное состояние гелия. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре 4,2 К (для изотопа 4He при нормальном атмосферном давлении)[1][2]. Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым показателем преломления, из-за чего его трудно увидеть.

При определённых условиях жидкий гелий представляет собой квантовую жидкость, то есть жидкость, в макроскопическом объёме которой проявляются квантовые свойства составляющих её атомов. Из-за квантовых эффектов (нулевые колебания), при нормальном давлении гелий не затвердевает даже при абсолютном нуле. Твёрдый гелий в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше 25 атм.

История исследований[править | править код]

История получения и исследований жидкого гелия тесно связана с историей развития криогеники.

В 1898 году Дьюаром получено около 20 см³ жидкого водорода.
В 1906 году Камерлинг-Оннес наладил линию полупромышленного получения жидкого водорода, дающую до 4 литров в час.
В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия в объёме 0,06 литра (Нобелевская премия по физике за 1913 год). Для опыта потребовалось 20 литров жидкого водорода, полученного при помощи линии, созданной двумя годами ранее. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при адиабатическом дросселировании водорода (см. эффект Джоуля — Томсона).
В 1930 году[3]Виллем Хендрик Кеезом обнаружил наличие фазового перехода в жидком гелии при температуре 2,17 К и давлении насыщенных паров 0,005 МПа. Он назвал фазу, устойчивую выше температуры 2,17 K, гелием-I, а фазу, устойчивую ниже этой температуры — гелием-II. Также он наблюдал связанные с этим аномалии в теплопроводности (и даже называл гелий-II «сверхтеплопроводным»), теплоёмкости, текучести гелия.
В 1938 году П. Л. Капица открыл сверхтекучесть гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Квантовомеханическое объяснение явления было дано Л. Д. Ландау в 1941 году (Нобелевская премия по физике за 1962 год).
В 1948 году удалось сжижить и гелий-3.
В 1972 году в жидком гелии-3 также был обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм гелий-3 действительно становится сверхтекучим. (Нобелевская премия по физике за 2003 год.)

Физические свойства[править | править код]

Физические свойства гелия сильно отличаются у изотопов 4He и 3He:

Свойство		4He	3He
Температура плавления, К		2,0 (при 3,76 МПа)	1,0 (при 3,87 МПа)
Температура кипения, К		4,215	3,19
Минимальное давление плавления, атм		25	29 (0,3 K)
Плотность газообразного, кг/м³		0,178	0,134
Плотность жидкого, кг/м³		145 (при 0 К)	82,35
Крит. точка	tкрит, К	5,25	3,35
	pкрит, МПа	0,23	0,12
	dкрит, кг/м³	69,3	41,3

Свойства гелия-4[править | править код]

Жидкий гелий — бозе-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются бозонами.

Выше температуры 2,17 К гелий-4 ведёт себя как обычная криожидкость, то есть кипит, выделяя пузырьки газа. При достижении температуры 2,17 К (при давлении паров 0,005 МПа — так называемая λ-точка) жидкий 4Не претерпевает фазовый переход второго рода, сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоёмкости, вязкости, плотности и других. В жидком гелии при температуре ниже температуры перехода одновременно сосуществуют две фазы, Не I и Не II, с сильно различающимися свойствами. Состояние жидкости в фазе гелия-II в некоторой степени аналогично состоянию бозе-конденсата (однако, в отличие от конденсата атомов разреженного газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к гелию-II).

Сверхтекучесть и сверхтеплопроводность[править | править код]

Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что кипение прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. Испарение гелия, конечно, продолжается, но оно идёт исключительно с поверхности. Различие в поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью сверхтекучей фазы (во много миллионов раз выше, чем у Не I). При этом вязкость нормальной фазы остаётся практически неизменной, что следует из измерений вязкости методом колеблющегося диска. С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур. Линия разграничения этих фаз называется λ-линией.

Для He II характерна сверхтекучесть — способность протекать без трения через узкие (диаметром менее 100 нм) капилляры и щели. Относительное содержание He II растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном нуле температуры — с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур путём пропускания жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако за счёт того, что при близких к абсолютному нулю температурах теплоёмкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось — за счёт неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения.

За счёт сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность жидкого гелия — теплопередача идёт не за счёт теплопроводности, а за счёт конвекции сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году П. Л. Капицей.

Второй звук[править | править код]

За счёт одновременного наличия двух фаз в жидком гелии, имеется две скорости звука и специфическое явление — так называемый «второй звук». Второй звук — слабозатухающие колебания температуры и энтропии в сверхтекучем гелии. Скорость распространения второго звука определяется из уравнений гидродинамики сверхтекучей жидкости в двухкомпонентной модели. Если пренебречь коэффициентом теплового расширения (который у гелия аномально мал), то в волне второго звука осциллируют только температура и энтропия, а плотность и давление остаются постоянными. Распространение второго звука не сопровождается переносом вещества.

Второй звук можно также интерпретировать как колебания концентрации квазичастиц в сверхтекучем гелии. В чистом 4He это колебания в системе ротонов и фононов.

Существование второго звука было предсказано теоретически Ландау; расчётное значение равнялось 25 м/с. Фактически измеренное значение составляет 19,6 м/с[4].

Свойства гелия-3[править | править код]

Жидкий гелий-3 — это ферми-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются фермионами. В таких системах сверхтекучесть может осуществляться при определённых условиях, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов — так называемых куперовских пар (эффект Купера).

Куперовская пара обладает целым спином, то есть ведёт себя как бозон; поэтому вещество, состоящее из объединённых в куперовские пары фермионов, может переходить в состояние, подобное бозе-конденсату. Сверхтекучесть такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название сверхпроводимости.

Аналогичная ситуация имеет место в жидком 3He, атомы которого имеют спин ½ и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства жидкого гелия-3 можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой примерно в 3 раза большей, чем масса атома 3He. Силы притяжения между квазичастицами в 3He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких милликельвинов в 3He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения сверхтекучести. Открытию сверхтекучести у 3He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — эффекта Померанчука и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния 3He при сверхнизких температурах.

Переход нормальной ферми-жидкости в фазу А представляет собой фазовый переход II рода (теплота фазового перехода равна нулю). В фазе A образовавшиеся куперовские пары обладают спином 1 и отличным от нуля моментом импульса. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому фаза А является анизотропной жидкостью. В магнитном поле фаза А расщепляется на две фазы (A1 и A2), каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В является фазовым переходом I рода с теплотой перехода около 1,5⋅10−6 дж/моль. Магнитная восприимчивость 3He при переходе А→В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением температуры. Фаза В является, по-видимому, изотропной.

Хранение и транспортировка[править | править код]

Как и другие криожидкости, гелий хранят в сосудах Дьюара. Гелий в них всегда хранится под небольшим давлением — за счёт естественного испарения жидкости. Это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорог, то, чтобы не выпускать газ в атмосферу, на головной части дьюара размещается соединительная часть для подсоединения дьюара к гелиевой сети, по которой газообразный гелий собирается для повторного использования. Как правило, на этом же узле крепится манометр для контроля давления и аварийный клапан.

Гелиевые дьюары переворачивать нельзя, для переливания содержимого применяют специальные сифоны.

Гелий имеет очень низкую теплоту испарения (в 20 раз меньше, чем у водорода), но зато высокую теплопроводность. Поэтому к качеству теплоизоляции гелиевых дьюаров предъявляются высокие требования. При повреждении вакуумной изоляции жидкость так бурно вскипает, что дьюар может взорваться. Как правило, для снижения потерь гелия на испарение используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дьюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим жидким азотом (температура 77 К). За счёт этого удается существенно сократить теплообмен между гелием и атмосферой.

Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах, выпускаемыми промышленно. В СССР и позднее в России выпускались сосуды типа СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 и СТГ-100 ёмкостью 10, 25, 40 и 100 литров, соответственно. Эти сосуды широко используются в российских лабораториях и в настоящее время. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении.

Применение жидкого гелия[править | править код]

Современный ЯМР-томограф. Для охлаждения сверхпроводящих магнитов в нём используется жидкий гелий.

Жидкий гелий применяется в качестве хладагента для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях):

охлаждение сверхпроводящих магнитов в различных научных, технических и медицинских устройствах, к примеру:
- ускорители заряженных частиц
  - В Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для охлаждения 1624 сверхпроводящих магнитов до температуры 1,9 K[5]
- детекторы инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометры;
- сканирующие туннельные микроскопы;
использование в криостатах растворения[прояснить];
криогенные электрические машины[прояснить].

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Научно-популярные ресурсы[править | править код]

Свойства жидкого гелия — доклад академика П. Л. Капицы, «Природа», N12, 1997.

Книги, обзорные статьи[править | править код]

Сверхтекучий 3He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
Воловик Г., «Universe in a helium droplet», Oxford University Press, 2004, 529 стр., книга доступна на сайте автора (PDF, 3,5 Мб).

Источник

Теплофизические свойства гелия He: плотность гелия, его теплоемкость и теплопроводность

В таблице представлены теплофизические свойства гелия He в газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Теплофизические свойства и плотность гелия в таблице даны при температуре от 0 до 1000°С и давлении от 1 до 100 атмосфер.

Следует отметить, что такие свойства гелия, как температуропроводность и кинематическая вязкость существенно зависят от температуры, увеличивая свои значения на порядок при нагревании на 1000 градусов. При увеличении давления эти свойства гелия уменьшают свои значения, при этом существенно возрастает плотность гелия.

При нормальных условиях плотность гелия равна 0,173 кг/м3 (при температуре 0°С и нормальном атмосферном давлении). С увеличением давления гелия, его плотность увеличивается пропорционально, например при 10 атм. плотность гелия составит уже величину 1,719 кг/м3 (при этой же температуре). При дальнейшем сжатии этого газа до 100 атм. плотность гелия станет равной 16,45 кг/м3. Таким образом, имеет место почти стократное увеличении плотности гелия относительно первоначального значения (при атмосферном давлении).

Как известно, самой низкой плотностью обладает такой газ, как водород, а гелий занимает второе место среди газов по величине плотности.
Гелий считается наиболее оптимальным газом для заполнения аэростатов, применяемых в воздухоплавании, поскольку в отличие от водорода, он не создает с воздухом взрывоопасную смесь.

Так как плотность гелия значительно меньше воздуха, то при одинаковых температурах шары и аэростаты, наполненные гелием, имеют хорошую подъемную силу. Достаточно малая плотность гелия позволяет создавать беспилотные высотные аэростаты для погодных и научных исследований.

На какую высоту может подняться шар с гелием? Плотность воздуха по мере набора высоты начинает снижаться и на высотах около 33…36 км сравняется с плотностью гелия, находящегося в аэростате, и его подъем прекратится.

В таблице даны следующие свойства гелия:

плотность гелия γ, кг/м3;
удельная теплоемкость Ср, кДж/(кг·град);
коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·град);
динамическая вязкость μ, Па·с;
температуропроводность a, м2/с;
кинематическая вязкость ν, м2/с;
число Прандтля Pr.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100.

Теплопроводность гелия при при нормальном атмосферном давлении.

Значения теплопроводности гелия при нормальном атмосферном давлении в зависимости от температуры приведены в таблице.
Теплопроводность (в размерности Вт/(м·град)) указана для газообразного гелия в диапазоне температуры от -203 до 1727 °С.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность гелия в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000. По данным таблицы теплопроводности видно, что ее значения увеличиваются с ростом температуры гелия.

Теплопроводность гелия при высоких температурах.

В таблице указаны значения теплопроводности гелия при нормальном атмосферном давлении и при высоких температурах.
Теплопроводность гелия в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 2500…6000 К.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность гелия в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000. Значение коэффициента теплопроводности гелия увеличивается с ростом его температуры и достигает при 6000 К величины 1,2 Вт/(м·град).

Теплопроводность жидкого гелия при низких температурах.

Приведены значения теплопроводности жидкого гелия при нормальном атмосферном давлении и экстремально низких температурах.
Теплопроводность гелия в жидком состоянии дана в таблице для температуры 2,3…4,2 К (-270,7…-268,8°С).

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность гелия в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000. Теплопроводность гелия увеличивается с ростом его температуры и в жидком состоянии при низких температурах.

Теплопроводность гелия в зависимости от давления и температуры.

В таблице даны значения теплопроводности гелия в зависимости от давления и температуры.
Теплопроводность (размерность Вт/(м·град)) указана для газообразного гелия в диапазоне температуры от 0 до 1227 °С и давлении от 1 до 300 атм.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность гелия в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000. Теплопроводность гелия имеет слабую тенденцию к росту при увеличении давления газа.

Теплоемкость жидкого гелия в зависимости от температуры.

В таблице представлены значения удельной (массовой) теплоемкости жидкого гелия в состоянии насыщения в зависимости от температуры.

Как известно, гелий в жидком состоянии может находиться только при очень низкой температуре, приближающейся к абсолютному нулю.
Теплоемкость жидкого гелия (размерность кДж/(кг·град)) приведена в диапазоне температуры от 1,8 до 5,05 К.

Источники:
1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.
2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
3. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

Источник