При какой температуре замерзает 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
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
Одна из самых распространенных проблем газового оборудования, которое работает на смешанном пропане и бутане – образование инея на поверхности газового баллона. Это свидетельствует о том, что газ внутри металлической емкости замерзает. Данная проблема способствует некорректной работе газового оборудования или полному прекращению подачи газа из баллона.
Причины образования инея на баллоне
Постараемся разобраться, почему происходит так, что замерзает газ в баллоне, находящемся на улице, при понижении температуры воздуха. Так, для начала нужно понять, что охлаждение частиц происходит при интенсивном высвобождении газа из баллона. Поскольку газ внутри емкости закачивается под давлением, он сконцентрирован в жидком состоянии. Вследствие этого происходит частичное замерзание жидкого газа во время его высвобождения.
Причина первая — низкая температура воздуха
Исходя из практики использования баллонов, оптимальная температура при которой оборудование будет нормально работать составляет примерно 10 градусов, а при снижении этой отметки, начинаются проблемы с подачей газа в систему.
Если ваше оборудование находится в помещении с отоплением, тогда не стоит обращать внимание на эти показатели. Также не стоит беспокоиться о том, что ваш газовый баллон замерзнет и выйдет из строя, если оставить его в помещении без отопления в зимнюю пору года. Зимняя температура слишком маленькая, чтобы полностью заморозить топливо.
Причина вторая — высокое содержание бутана
А сейчас разберемся, может ли замерзнуть газ, который находится внутри баллона, и как это предотвратить. Так, чтобы обеспечить правильную работу газовых приборов, необходимо соблюдать правильное соотношение пропана и бутана. Правильные пропорции помогут достичь максимального потребления топлива и корректной работы приборов при отрицательной температуре окружающей среды.
Пропорции топлива летом
Как уже было сказано раньше, температура замерзания бутана, отличается от граничной температуры замерзания пропана. Путём практических исследований были выведены оптимальные пропорции для работы оборудования зимой и летом.
Для теплого времени года, топливо смешивается в таких пропорциях:
- Пропан – 40 %;
- Бутан 60 %.
Такое соотношение считается наиболее эффективным для потребления. Стоит отметить, что этот вариант имеет более низкую стоимость, чем топливо с «зимней» пропорцией.
Зимние пропорции топлива
Для использования газовых баллонов зимой пропорции будут другими, а именно:
- Пропан – 60 %;
- Бутан – 40 %.
В некоторых случаях количество пропана может достигать 80 процентов. Но, исходя из того, что пропан стоит дороже, чем бутан, итоговая цена на топливо также будет выше.
Причина третья — повышенное потребление газа
Но всё же, почему емкость покрывается инеем только в том месте, где газ находится в жидком состоянии? Низкая температура окружающей среды – не единственная причина обмерзания. Как известно, газовая плита, камин или другое оборудование, которое работает от газового баллона, функционирует при преобразовании газа из жидкого состояния в парообразный вид.
Есть два варианта преобразования газа, а именно:
- нагревание топлива;
- естественное испарение.
В этом случае все частицы с мощной кинетической энергией стремительно направляются в верхнюю часть емкости и отделяются от частиц в жидком состоянии с меньшим кинетическим потенциалом.
Газ, который пребывает в жидком состоянии внутри баллона, всегда находится внизу, а паровая часть стремится вверх. Таким образом и осуществляется высвобождение топлива и подача его в газовую плиту или другое оборудование
В связи с такими условиями жидкое топливо начинает терять температуру. Из этого следует, что при повышении потребления газа понижается температура его жидкого состояния. Проще говоря, чем больше топлива потребляет оборудование, тем быстрее будет замерзать газовый баллон.
По мере охлаждения частиц понижается способность самостоятельного испарения сжиженного газа. Отсюда следует, чем холоднее будут частицы, тем медленнее будет испаряться газ. При этом оборудование начинает работать с перебоями или вовсе перестаёт функционировать.
Действия при обмерзании емкости
Если вы заметили, что ваше оборудование стало работать с перебоями, тогда стоит обратить внимание на поверхность газового баллона. Скорее всего она покрылась инеем. Чтобы возобновить корректное функционирование оборудования, необходимо создать оптимальные для этого условия. Если этого не сделать вовремя, тогда газовый прибор может полностью перестать работать.
Первым делом необходимо определить, по какой причине происходит обмерзание. Если это связано с погодными условиями, тогда нужно создать оптимальный температурный режим для емкости, о том, как это сделать, будет написано дальше.
Если же охлаждение происходит по причине интенсивного потребления газа, тогда нужно сократить расход. Сделать это можно, установив дополнительный баллон, можно несколько. В зависимости от количества потребления топлива. Подключение нескольких баллонов осуществляется при помощи специальной объединяющей рампы.
Как правильно отогреть газовый баллон?
А сейчас рассмотрим, как обеспечить правильную работу газового оборудования при низкой температуре воздуха, и что можно сделать, чтобы газ не замерзал. Для решения этого вопроса, есть несколько вариантов.
В первую очередь, попробуйте перенести газовый баллон в теплое помещение, через некоторое время иней с поверхности постепенно испарится, а внутри баллона образуются условия, необходимые для преобразования сжиженного газа в парообразное состояние. После этого, подача газа будет восстановлена, и газовый прибор можно будет использовать по назначению.
Но, если перенести оборудование не представляется возможным, тогда необходимо обогреть ёмкость на месте, чтобы газ внутри не охлаждался. Очень часто, владельцы газовых приборов прибегают к прогреванию баллона путём прямого воздействия огня. Такие действия выполнять категорически запрещено, так как это способствует быстрому преобразованию газа в парообразное состояние, соответственно давление в емкости стремительно растёт и может вызвать взрыв.
Чтобы уменьшить вероятность охлаждения топлива, можно утеплить баллон специальными материалами, которые предотвращают проникновение холода. Но такой способ подходит при небольших температурных изменениях окружающей среды.
Для того чтобы предотвратить обмерзание газового баллона, можно утеплить емкость специальным материалом с термо-регулирующей основой, но при этом нельзя создавать эффект термоса
Если же на улице более холодная температура, тогда можно воспользоваться специальным обогревательным оборудованием. Электрический обогреватель способен не только отогреть газовый баллон, но и обеспечить постоянную температуру, при которой прибор будет выполнять свои функции с наибольшей эффективностью.
Таким образом, сокращается расход топлива до 30 процентов.
Источник