Рідкий гелій

У 1938 році Петро Леонідович Капіца відкрив одне з найкрасивіших явищ у фізиці - надплинність рідкого гелію, яке полягає в різкому зниженні коефіцієнта в'язкості, внаслідок чого гелій тече практично без тертя.

Хейке Камерлінг-Оннес під час проведення своїх дослідів спостерігав незвичайну рухливість гелію, проте це було настільки неприродно, на його думку, що інтерпретація явища залишилася послідовником. У той самий час метою його дослідження залишалися властивості матеріалів за низьких температур, а чи не властивості холодоагенту, тому минуло 30 років, як відкриття надплинності відбулося.

У 1932 році Віллем Хендрік Кеезом (учень Камерлінг-Оннес) досліджував характер зміни теплоємності рідкого гелію з температурою. Він виявив, що близько 2,19 К повільний і плавний підйом теплоємності змінюється різким падінням і крива теплоємності набуває форми грецької букви (лямбда). Звідси температурі, коли відбувається стрибок теплоємності, присвоєно умовну назву «λ». Точніше значення температури у цій точці, встановлене пізніше – 2,172 До. У λ-точці відбуваються глибокі та стрибкоподібні зміни фундаментальних властивостей рідкого гелію – одна фаза рідкого гелію змінюється у цій точці на іншу, причому без виділення прихованої теплоти; має місце фазовий перехід ІІ роду. Внаслідок цього вище ?-точки гелій зветься He-I, а нижче лямбда-точки - He-II або надплинний гелій. У гелії-3 надплинність виникає лише за температур нижче 0,0026 До. Надплинний гелій відноситься до класу квантових рідин, макроскопічна поведінка яких може бути описана лише за допомогою квантової механіки.

He-I є звичайною рідиною, що не має аномалій та властивостей. Перехід He-I He-II супроводжується різкою зміною властивостей перенесення. Рідкий гелій при температурі нижче точки має винятково високу здатність до перенесення теплоти, значну теплоємність і зникаюче малою (наприклад, при протіканні через вузьку щілину або капіляр) в'язкістю. Однією з особливостей He-II є досить висока стисливість.

Здатність He-II зберігати рідкий стан до абсолютного нуля температур дозволяє використовувати його як теплоносій в системах охолодження пристроїв, що працюють при температурах нижче точки. Використання He-II як холодоагент в системах охолодження надпровідних обмоток має ряд переваг у порівнянні із застосуванням He-I. З одного боку, зниження рівня температур дозволяє збільшити критичний струм надпровідника, з іншого - надплинний гелій має можливість проникнути в дрібні міжвиткові канали і тим самим збільшує ефективність охолодження обмоток з щільною упаковкою. Володіючи високою ефективністю теплоперенесення рідини, He-II забезпечує надійний тепловий контакт між елементами установки. Однак, застосування He-II доцільно лише у випадках, коли відомо, що не буде перевищена критична щільність теплового потоку. В іншому випадку виникнення на поверхні надпровідника сухої плями супроводжується більшим зростанням температури, ніж при охолодженні He-I.

В даний час для перевезення рідкого гелію застосовують спеціальні транспортні судини типу СТГ-10, СТГ-25 і СТГ-40 світло-сірого кольору об'ємом 10, 25 і 40 літрів, відповідно.За виконання певних правил транспортування може використовуватися залізничний, автомобільний та інші види транспорту. Судини з рідким гелієм обов'язково повинні зберігатися у вертикальному положенні.

Швидке зростання гелієвої кріогеніки реалізувалося в середині минулого століття з початком трьох напрямків розвитку [S.W. Van Sciver. Advances in Helium Cryogenics // Cryogenic Engineering: Fifty Years of Progress. – Springer, 2007. – P.161–178.]: 1. Розвиток та можливе комерційне використання ожителя/рефрижератора гелію.
2. Швидке розширення програми дослідження космосу.
3. Відкриття та технологічне виробництво надпровідних матеріалів Nb3Sn та NbTi.

Розвиток цих домінуючих напрямів призвів до сучасних розвинених технологій:
– великі, ефективні рекуперативні гелієві рефрижераторні/зріджувальні системи, головним чином для високоенергетичних лабораторії фізики (охолодження надпровідних магнітів у тому числі і на Великому Андронному Колайдері);
- Великі, ефективні He-II кріостати для космічних експериментів;
- Невеликий регенеративний криокулер для охолодження надпровідних пристроїв.

На додаток до трьох головних технологій кріогеніки гелію, обговорених вище, є багато інших важливих аспектів у цій галузі:
– Маленький кріокулер для застосування у проміжних температурних інтервалах;
- Удосконалення обертової машини для низькотемпературного гелієвих пристроїв;
- виробництво кріостатів для рідкого He-II;
- Охолодження розчиненням 3He-4He;
- Магнітне охолодження.

Таким чином, кріогенна техніка на гелієвому рівні температур надає можливості для зростання низькотемпературних систем від надпровідних магнітів до експериментальних досліджень у космічному просторі. А шлях до цього проклав Хейке Камерлінг-Оннес понад сто років тому.

Рідкий гелій: що це таке і де використовується

Гелій - дивовижний елемент з унікальними властивостями, а в рідкій формі він набуває нових властивостей. У цій статті ми розглянемо, що таке рідкий гелій, як він виробляється, а також вивчимо основні його застосування.

Що таке рідкий гелій?

Гелій — один із шляхетних газів, що позначається хімічним символом He та атомним номером 2. Це другий за поширеністю елемент у Всесвіті, але на Землі його відносно мало. Гелій існує у двох ізотопних формах, гелій-4 і гелій-3, причому гелій-4 є найбільш поширеною і широко використовується.

Коли гелій охолоджують до надзвичайно низьких температур, нижче його точки кипіння, що становить приблизно -268,93 градуси Цельсія (-452,07 градуси за Фаренгейтом) при атмосферному тиску, він переходить у якісно новий стан, відомий як рідкий гелій. На даний момент гелій виявляє чудові властивості, включаючи надплинність та нульовий електричний опір.

Отримання рідкого гелію

Рідкий гелій одержують за допомогою процесу, відомого як кріогенне зрідження. Перший етап включає стиснення газоподібного гелію збільшення його щільності. Потім стислий газоподібний гелій охолоджують, використовуючи комбінацію процесів розширення та теплообміну. Це призводить до конденсації газу в рідкий стан за неймовірно низької температури, згаданої раніше.

Найбільш поширеним методом, що використовується для отримання рідкого гелію, є цикл Хемпсона-Лінде, який включає серію стадій стиснення, розширення та охолодження. Цей метод дозволяє скраплювати велику кількість гелію, роблячи його доступним для різних застосувань.

Застосування рідкого гелію

Кріогенні дослідження: Рідкий гелій широко використовується у наукових дослідженнях, особливо в галузі кріогеніки. Надзвичайно низька температура робить його ідеальним холодоагентом для надпровідних магнітів, що використовуються у передових наукових експериментах, таких як прискорювачі частинок та апарати магнітно-резонансної томографії (MRI).

Надпровідність Коли певні матеріали охолоджуються до дуже низьких температур, вони виявляють нульовий електричний опір, явище, відоме як надпровідність. Рідкий гелій є життєво важливим холодоагентом для надпровідних матеріалів, що використовуються при розробці потужних електромагнітів та експериментах з фізики високих енергій.

Дослідження в галузі квантової механіки: Рідкий гелій відіграє вирішальну роль у вивченні квантової механіки та фізики конденсованих середовищ. Унікальна поведінка гелію за таких низьких температур дозволяє дослідникам досліджувати властивості речовини на квантовому рівні.

Застосування в медицині: Рідкий гелій використовується у кріогенній техніці для охолодження спеціалізованого медичного обладнання, такого як установки кріоконсервації, що використовуються для тривалого зберігання біологічних зразків та тканин.

Рідкий гелій

Рідкий гелій, рідкі 4 Нe ^4\text 4 Н e і 3 Нe ^3\text 3 Н e - квантові рідини, властивості яких при температурах нижче 2-3 К багато в чому визначаються квантовими ефектами.Рідкі 4 Нe ^4\text 4 Н e і 3 Нe ^3\text 3 Н e – безбарвні прозорі рідини, що тверднуть тільки при підвищеному тиску: більшому 2,5 МПа для 4 Нe ^4\text 4 Н e (малюнок) і 3,4 МПа для 3 Нe ^3\text 3 Н e. Це малою енергією взаємодії атомів проти їх нульової енергією . При атмосферному тиску температура кипіння рідкого 4 Нe ^4\text 4 Н e дорівнює 4,22 К, його густина 125 кг/м 3 ; температура кипіння рідкого 3 Нe ^3\text 3 Н e 3,2 До, щільність 58 кг/м 3 . Під тиском насичених пар 4 Нe ^4\text 4 Н e і 3 Нe ^3\text 3 Н e залишаються рідкими при всіх температурах нижче критичної, що дорівнює 5,2 К і 3,3 К відповідно.

Діаграма стану гелію-4. Діаграма стану гелію-4. Атоми 4 Нe ^4\text 4 Н e - бозони, тому що їх спин дорівнює нулю. При температурі T λ = 2 , 17 T_λ = 2,17 T λ = 2 , 17 K і тиск насиченої пари 5 кПа рідкий 4 Нe ^4\text 4 Н e відчуває фазовий перехід 2-го роду. Вище T ? Зі зростанням тиску температура переходу T λ T_λ T λ зменшується ( λ λ λ – лінія на малюнку). У 1938 р. П. Л. Капіца відкрив надплинність He II \text He II - його здатність протікати без тертя через вузькі щілини та капіляри. У той же час в'язкість , виміряна по згасання коливань диска, зануреного в He II \text He II , відмінна від нуля і поблизу T T T T T T мало мало відрізняється від в'язкості He I He I . Пояснення цьому було дано Л. Д. Ландау в 1941 (теорія надплинності). З теорії випливає, що He II \text He II поводиться як рідина, що складається з двох компонентів - нормальної та надплинної, які можуть рухатися відносно один одного.Щільності компонентів у сумі рівні щільності рідини, але їх відношення змінюється з температурою. Надплинна компонента не має ентропії і не відчуває тертя об стінки судини, при T = T T = T_T = T λ її щільність дорівнює нулю, росте зі зниженням температури і при Т = 0 Т = 0 Т = 0 К збігається зі щільністю рідини. Нормальну компоненту становлять елементарні збудження – фонони та ротони, і вона поводиться як звичайна в'язка рідина. Таким чином, диск, що коливається в He II \text He II, згасає через тертя про нормальну компоненту. В експериментах за течією He II \text He II через вузькі щілини або капіляри нормальна компонента практично не рухається, а надплинна - протікає без тертя. На основі такої дворідинної моделі можна пояснити низку інших ефектів. Наприклад, при витіканні He II \text He II з судини через вузький капіляр температура в посудині підвищується, тому що випливає головним чином надплинна компонента, яка не несе теплоти (механокалорічний ефект); при створенні різниці температур між кінцями закритого капіляра з He II \text He II в ньому виникає рух (термомеханічний ефект) - надплинна компонента рухається від холодного кінця до гарячого і там переходить у нормальну, яка рухається назустріч (при цьому сумарний потік відсутній). He II \text He II може поширюватися звук двох видів – звичайний і т.з. другий звук. Існування двох компонентів і двох видів руху в He II \text He II пов'язане з конденсацією Бозе - Ейнштейна, в результаті якої виникає макроскопічна фракція рідини (бозе-конденсат), яка описується єдиною квантовомеханічною хвильовою функцією.

Рідкий 3 Нe ^3\text 3 Н e – фермі-рідина, тому що атоми 3 Нe ^3\text 3 Н e – ферміони (мають спин 1 /₂) і підпорядковуються статистиці Фермі - Дірака. У 1972 р. Д. Ошеров, Р. К. Річардсон і Д. Лі виявили, що при дуже низьких температурах рідкий 3 Нe 3 Н e також стає надтекучим (при 0,9 мК при тиску насиченої пари і при 2 6 мК при 34 МПа). Надплинність 3 Нe ^3\text 3 Н e, як і надпровідність металів, є наслідком ефекту Купера - утворення куперівських пар атомів (точніше - пар квазічастинок). Куперівські п'яри є бозонами і можуть утворювати бозе-конденсат. Надплинність 3 Нe ^3\text 3 Н e більш складна і різноманітна, ніж 4 Нe ^4\text 4 Н e . Залежно від умов можуть спостерігатися 3 різні надплинні фази 3 Нe ^3\text 3 Н e (звані А, А₁ та В).

Рідкий 4 Нe ^4\text 4 Н e служить холодоагентом для охолодження надпровідних магнітів і використовується для отримання низьких температур під час проведення наукових досліджень. Суміші 4 Нe ^4\text 4 Н e і 3 Нe ^3\text 3 Н e застосовують для створення наднизьких температур за допомогою т.з. рефрижераторів розчинення (вдається отримувати та безперервно підтримувати температури близько 0,01 К).

Опубліковано 18 серпня 2022 р. о 15:43 (GMT+3). Останнє оновлення 18 серпня 2022 р. о 15:43 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією

• Науково-освітній портал «Велика російська енциклопедія»
  Створено за фінансової підтримки Міністерства цифрового розвитку, зв'язку та масових комунікацій Російської Федерації.
  Свідоцтво про реєстрацію ЗМІ ЕЛ № ФС77-84198 видано Федеральною службою з нагляду у сфері зв'язку, інформаційних технологій та масових комунікацій (Роскомнагляд) 15 листопада 2022 року.
  ISSN: 2949-2076
• Засновник: Автономна некомерційна організація «Національний науково-освітній центр «Велика російська енциклопедія»
  Головний редактор: Кравець С. Л.
  Телефон редакції: +7 (495) 917 90 00
  Ел. пошта редакції: [email protected]

• © АНО БРЕ, 2022 - 2024. Всі права захищені.
• Умови використання інформації. Вся інформація, розміщена на даному порталі, призначена лише для використання в особистих цілях та не підлягає подальшому відтворенню.
  Медіаконтент (ілюстрації, фотографії, відео, аудіоматеріали, карти, скан образи) може бути використаний лише з дозволу правовласників.
• Умови використання інформації. Вся інформація, розміщена на даному порталі, призначена лише для використання в особистих цілях та не підлягає подальшому відтворенню.
  Медіаконтент (ілюстрації, фотографії, відео, аудіоматеріали, карти, скан образи) може бути використаний лише з дозволу правовласників.