При каких температурах гелий
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
химический элемент, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха. Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052%. Гелий значительно легче воздуха, плотность 0,1785 кг/м3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -268,9°С. Потенциал ионизации 25,4 В. Бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ, хорошо диффундирует через твердые тела. Химическая формула – He.
История открытия гелия
Впервые гелий был обнаружен во время солнечного затмения 1868 г. астрономы впервые применили спектроскопию для исследования атмосферы Солнца.
24 октября 1868 г. Французская академия наук получила два сообщения – от Пьера Жюль Сезара Жансена (Pierre Jules Cesar Janssen) из Индии и от Джозефа Нормана Локьера (Joseph Norman Lockyer) из Лондона – об открытии ими в спектре солнечной короны новой ярко-желтой линии, которой впоследствии был присвоен символ D3. Совпадение двух независимых сообщений из разных концов мира свидетельствовало о возможности методами спектроскопии проникнуть в тайны солнечной атмосферы и других далеких звезд.
Вопрос о том, какому веществу отвечает линия D3, долго еще оставался открытым. Было лишь установлено, что в спектрах элементов, известных на нашей планете, пока не обнаружено спектральной линии, подобной ярко-желтой линии D3. Локьер ошибочно считал, что раскаленный газ, излучение которого дает таинственную линию D3, является модификацией водорода, не встречающейся на Земле.
В августе 1871 г. Кельвин заявил, что линия D3 до сих пор не идентифицирована с каким-либо земным элементом. Возможно, что она принадлежит новому веществу, которому Локьер и Жансен предложили дать название гелий (от греческого слова гелиос – солнце).
В 1895 г. Сэр Уильям Рамзай (Sir William Ramsay) изучал газ, выделенный им из минерала клевеита, и в гейслеровой трубке неожиданно обнаружил яркую желтую линию. Выдающийся спектроскопист того времени Уильям Крукс (William Crookes) определил длину волны новой линии (5874,9 А) и установил, что это линия D3, на этом основании Рамзай сообщил (23 марта 1895 г.) об открытии им гелия на Земле.
Такова история открытия важнейшего представителя группы инертных газов, который сначала был обнаружен в солнечной атмосфере, а затем (через 27 лет) – на Земле.
Вскоре гелий был обнаружен в других минералах и горных породах, содержащих уран. Наличие гелия в земной коре позволило сделать вывод о его содержании в атмосфере, хотя многие ученые утверждали, что этот легкий газ, выделяющийся из земной коры, полностью уносится из атмосферы в космическое пространство. Вскоре Генрих Кайзер, а затем Зигберт Фридлендер (1896 г.), а также Эдвард Бэли в результате анализа первой выпаренной фракции жидкого воздуха доказали его присутствие в атмосфере.
Способы получения гелия
Гелий получают из гелийсодержащих природных газов, минералов и воздуха. Об этом мы писали в статье о производстве гелия, поэтому здесь не будем повторять написанное.
Применение гелия
В промышленности гелий применяют в меньших масштабах, чем газ аргон. Чаще всего его используют:
- хладагент – охлаждение сверхпроводящих магнитов в медицинских сканерах МРТ;
- металлургия – выплавка чистых металлов;
- подводно-спасательное дело – в составе дыхательных смесей;
- сварочное производство – защитный газ;
- в индустрии развлечений – заполнение шариков.
Применение гелия в сварке
В связи с тем, что He примерно в 10 раз легче Ar, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении, поэтому расход гелия при сварке увеличивается в 1,5-3 раза.
Применяют его в основном при сварке неплавящимся электродом химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.
Гелий становится предпочтительнее аргона при необходимости дополнительной защиты швов при сварке в потолочном положении. Особенно при сварке титановых сплавов и других химически активных металлов, поглощающих азот и кислород не только в расплавленном состоянии, но и в твердом при нагреве выше определенной температуры.
Однако не только защитные свойства Ar и He различны. Различными являются и характеристики дуги в этих газах. Так, при одинаковой силе тока напряжение дуги в гелии значительно выше, чем дуги в аргоне. Такая дуга имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована (создает иную форму проплавления, более равномерную, в то время как дуга в аргоне при сварке, например, титановых сплавов вольфрамовым электродом дает большое проплавление в центре и значительно меньшее по краям ванны). Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги заметнее сказывается на напряжении и общей ее теплоэффективности. Для более развернутой информации обязательно прочитайте статью о сварочной дуге в инертных газах.
Форма шва и проплавление для различных защитных газов
В зависимости от применения того или иного газа меняется и поверхностное натяжение на границе металл-газовая фаза. Так, для хромоникелевых сталей аустенитного класса поверхностное натяжение жидкого металла при сварке в He заметно меньше, чем в Ar. Это сказывается и на формировании поверхности швов. Более плавные переходы от шва к основному металлу, при сварке в гелии, имеют место и для других металлов, в частности титановых сплавов и в ряде случаев оказывают влияние на некоторые характеристики работоспособности сварных соединений.
Чаще всего He используют для образования инертных газовых смесей c Ar. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха и увеличивают производительность сварки в целом. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов:
- аргон – обеспечивает стабильность горения дуги;
- гелий – обеспечивает высокую степень проплавления.
Опасность и вред гелия
Гелий не относится к ядовитым и токсичным газам, поэтому в малых количествах он не является опасным. Он может оказать действие как удушающий газ (асфиксант) только в том случае, если в результате утечки уровень кислорода окажется ниже допустимой концентрации. Но утечку гелия очень легко выявить т.к. за счет сжимания голосовых связок у человека меняется голос. Мы все знаем данный комический и мультяшный эффект, когда при вдыхании гелия из шарика голос становится более высоким.
Гелий является опасным, только в случае снижения уровня кислорода в окружающей среде ниже допустимой концентрации.
Хранение и траспортировка гелия
Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении 15 МПа или в сжиженном состоянии при давлении менее 0,2 МПа.
Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «ГЕЛИЙ». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949.
Методы определения доли примесей и условий поставки регламентируются ГОСТ 20461.
Характеристики гелия
Характеристики He указаны в таблицах ниже:
Коэффициенты перевода объема и массы He при Т=15°С и Р=0,1 МПа
Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
Газ, м3 | Жидкость, л | |
0,167 | 1 | 1,336 |
0,125 | 0,749 | 1 |
1 | 5,988 | 8,000 |
Коэффициенты перевода объема и массы He при Т=0°С и Р=0,1 МПа
Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
Газ, м3 | Жидкость, л | |
0,178 | 1 | 1,425 |
0,125 | 0,702 | 1 |
1 | 5,618 | 8,000 |
Гелий в баллоне
Наименование | Объем баллона, л | Масса газа в баллоне, кг | Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа |
|---|---|---|---|
He | 40 | 1,002 | 6,0 |
- Сколько литров гелия в баллоне?
Ответ: 40 литров - Сколько гелия в баллоне 40л?
Ответ: 6,5 м3 или 10,85 кг - Сколько весит баллон с гелием 40 литров
Ответ:
58,5 кг – масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
1,002 – кг масса гелия в баллоне;
Итого: 58,5 + 1,002 = 59,502 кг вес баллона с аргоном.
Давление гелия в баллоне при различной температуре окружающей среды
Температура окружающей среды | Давление в баллоне, МПа |
|---|---|
-40 | 12,2 |
-30 | 12,7 |
-20 | 13,2 |
-10 | 13,7 |
14,3 | |
+10 | 14,7 |
+20 | 15,3 |
+30 | 15,8 |
Источник
Как и все вещества, гелий может пребывать в жидком, твердом и газообразном состояниях. Но газообразный гелий (а именно он и встречается на Земле) интересен не только своими физическими свойствами (точнее, не столько ими), но и особенностями своего распространения и происхождения. С точки зрения физики и химии гелий — обычный газ, одноатомный, прозрачный, он почти невидим в сосудах, химически инертный. Жидкий же гелий открыл новую главу физики.
Долгое время жидкий гелий не удавалось получить. Сжижение газов основывалось на явлении Джоуля — Томпсона (если газ, находящийся под давлением, резко расширить, то его температура падает). И было замечено, что температура сжижения газов уменьшается с его плотностью, т. е; чем легче газ, тем ниже должна быть температура его превращения в жидкость. Поэтому ожидали, что самую низкую температуру сжижения должен иметь водород. И действительно, водород удалось перевести в жидкое состояние при очень низкой температуре — минус 253 °С. Но гелий при этих же условиях оставался газом. Более того, при температуре около минус 259 °С водород затвердевал, а гелий по-прежнему оставался газообразным.
В 1908 году голландскому ученому X. Камерлинг-Оннесу все же удалось перевести «упрямый» гелий в жидкое состояние, но температура кипения его была гораздо ниже, чем у водорода (минус 269 °С). Она отстояла от абсолютного нуля всего на 4,2 градуса. Но вот заморозить гелий при его дальнейшем охлаждении никак не удавалось. При всех температурах, какие только можно было получить в лабораторных условиях, гелий продолжал оставаться жидким.
В конце 20-х годов эту задачу решил другой голландский физик В. Кеезом, который, подвергнув жидкий гелий давлению до 100 кгс/см²и охладив его кипящим гелием, получил первые кристаллы твердого гелия. Твердый гелий не особенно удивил физиков, если не считать трудностей, связанных с его получением. Конечно, эти бесцветные прозрачные кристаллы гексагональной формы нельзя было взять в руки: гелий мгновенно испарялся. Пожалуй, самым привлекательным для физиков было то, что гелий в твердом состоянии представлял собой идеальное кристаллическое вещество, практически лишенное примесей.
Зато жидкий гелий вел себя поистине удивительно. До температуры примерно минус 271 °С это была ординарная жидкость, мало чем отличающаяся от других. Это состояние гелия назвали гелий I. Гелий I бурно кипел, выделяя невероятно холодные пузырьки газа, без специальной изоляции он немедленно испарился бы. Ниже минус 271 °С свойства гелия, который получил название гелия II, волшебно менялись. Кипение прекращалось, поверхность жидкости казалась ровной и застывшей. Необычно высокая теплопроводность гелия II не позволяла проявляться классическому эффекту вскипания.
Кроме того, оказалось, что гелий II совершенно лишен вязкости. Он способен проникать через любые, сколь угодно малые отверстия. В опытах академика П. Л. Капицы, открывшего в 1938 г. явление сверхтекучести гелия II, этот удивительный гелий в течение нескольких секунд вытекал через отверстие размером 0,00005 см. Гелию I для этого требовалось в сотни раз больше времени. Вязкость жидкого гелия была в 1000 раз меньше, чем у воды. Как связать эти свойства с обычными физическими представлениями?
Академик П. Л. Капица пишет: «Когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа многих процессов не может обычно проявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы… Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало».
Назовем еще одно удивительное, не имеющее аналогов свойство гелия II — ползти по стенкам сосуда при более высоких температурах. Налитый в сосуд гелий II способен перемещаться вверх по стенкам сосуда и переливаться через край без всяких внешних воздействий.
Сначала предполагали, что единственная сверхтекучая жидкость в природе — это гелий-4. Гелия-3 долгое время было слишком мало, чтобы предпринимать исследования такого рода. Но оказалось, что свойство сверхтекучести гелия II позволяет разделять изотопы гелия. При соответствующих температурах благодаря сверхтекучести гелий-4 может быть удален из сосуда, где он находится, в то время как гелий-3 останется в этом сосуде. Это поистине уникальное свойство жидкого гелия позволило получить гелий-3 высокой чистоты, в котором содержание тяжелого изотопа не превышало десятитысячных долей процента.
Гелий-3 тоже оказался сверхтекучим, но переход его в сверхтекучее состояние наступал при еще более низких, чем для гелия-4, температурах. Возможность перехода гелия-3 в сверхтекучее состояние была предсказана советским физиком Л. П. Питаевским в 1959 году, а спустя 13 лет это явление было обнаружено.
Жидкий гелий-3, как и гелий-4, оказалось невозможным перевести в твердое состояние при нормальном атмосферном давлении. Для получения твердого гелия-3 было необходимо высокое давление. Однако поведение гелия-3 при сверхнизких температурах тоже было необычным. Это явление было теоретически исследовано известным советским физиком И, Я. Помераичуком в 1950 году. При давлении, меньшем 29 кгс/см2, гелий-3 оставался жидким вплоть до абсолютного нуля. При более высоком давлении его можно было перевести в твердое состояние. Но, когда температура гелия-3 становилась меньше минус 272,8°С, переход из жидкого состояния в твердое сопровождался не выделением тепла, как у «обычных» жидкостей, а его поглощением. Таким образом, если охладить гелий-3 до температуры, меньшей минус 272,8 °С, и начать его адиабатически сжимать, то по мере увеличения в жидкости доли твердого гелия температура жидкого гелия будет понижаться.
Свойства жидкого гелия очень интересны. Для их объяснения разработаны физические теории, учитывающие квантовую природу процессов, происходящих в жидком гелии. Но наиболее далеко идущие последствия, вытекающие из необычных свойств самой холодной в мире жидкости,— во-первых, открывшаяся возможность получения сверхнизких температур, а во-вторых, исследование поведения многих веществ при температуре жидкого гелия.
Статья на тему Гелий самая холодная жидкость
Источник