Гелий не случайно называют инертным газом. Его атомы чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими атомами и особенно между собой. Этим объясняется, что гелий переходит из газообразногосостояния в жидкое при рекордно низкой температуре (4,2° по шкале Кельвина) и при дальнейшем понижении темпера­туры не затвердевает вплоть до абсолютного нуля. Твердый гелий существует лишь при повышенном давлении (свыше 25 am), когда из-за уменьшения расстояния между атомами сила взаимодействия возрастает.

 

В интервале температур от 4,2 до 2,2°К жидкий гелий ведет себя во всех отношениях как обычные жидкости, отличаясь от них лишь величиной некоторых параметров, так, например, плотность его примерно в 7 раз меньше плотности воды. При температуре 2,2°К происходит переход этой обычной жидкости, так называемого гелия I, в особое состояние (гелий II), обладающее свойством сверх­текучеести. Ниже мы рассмотрим несколько наиболее важных экспериментов, проведенных с гелием II, и покажем, что результаты этих экспериментов находятся в разительном противоречии с обычными представлениями о жидкости и для их объяснения необ­ходимо привлечение каких-то новых представлений.

Вязкость и сверхтекучесть. Первая загадка гелия II возникает при измерениях вязкости. В обычных жидкостях вязкость (или, другими словами, внутреннее трение) может быть измерена двумя простейшими способами, дающими, конечно, один и тот же ре­зультат. Первый способ заключается в измерении скорости выте­кания жидкости из сосуда через узкую щель под действием силы тяжести (рис. 1.1, а). Скорость жидкости, изображенная на рисун­ке стрелками, максимальна в средней части щели и убывает при приближении к стенке. Различные слои движутся, таким образом, с разными скоростями, и поэтому между ними возникает сила тре­ния, от величины которой зависит скорость вытекания. Второй способ (рис. 1.1, б) заключается в измерении времени затухания крутильных колебаний диска, погруженного в жидкость. Здесь все аналогично первому случаю. Жидкость вблизи диска увлекает­ся его движением, а вдали практически покоится. Различные слои двигаются с разными скоростями, и возникающая сила внутреннего трения приводит в конце концов к тому, что энергия колебаний превращается в тепло. Зная время затухания, можно определить вязкость.

Эксперименты с жидким гелием, проведенные первым способом, показалии, что вязкость гелия I вполне заметна и измерима, но при переходе в область гелия II она скачком падает до неизмеримо малой величины. Из этого эксперимента следует, что вязкость гелия II скорее всего равна нулю или, по крайней мере, во много тысяч раз меньше вязкости гелия I. В последнем случае гелий II мож­но было бы считать жидкостью, подчиняющейся обычным законам, но обладающей чрезвычайно малой вязкостью. Однако измерения вяз­кости гелия II вторым способам дают иные результаты. Величина вязкости гелия II в этом случае получается даже больше, чем вязкость гелия I. Таким образом, оказывается, что гелий II, в отличии обычных жидкостей, в одних условиях не обнаруживает вязкости, а в других - его вязкость вполне заметна.

1

Фундаментальное свойство гелия II—протекать через узкие щели, не обнаруживая вязкости, — названо сверхтекучестью. Сверх­текучесть гелия II весьма эффектно проявляется в опыте, изображен­ном на рисунке 1.2. Пусть в начальном состоянии (рис. 1.2, а) жидкость частично заполняет два открытых только сверху сосуда (внутренний и внешний), причем так, что уровень жидкости в обоих сосудах одинаков. Поднимем внутренний сосуд относительно внешнего так, чтобы он занял положение, изображенное на рисун­ке 1.2, б, в, Если производить этот опыт с обычной жидкостью, то возникшая картина будет соответствовать рисунку 1.2, б. Уровень жидкости во внутреннем сосуде станет выше уровня во внешнем как раз на столько, на сколько приподняли внутренний сосуд. Это состояние сохраняется в течение весьма длительного времени. Гелий II ведет себя совершенно иначе. В опыте с гелием II после поднятия внутреннего сосуда будет наблюдаться картина, изобра­женная на рисунке 1.2, в: уровни жидкости в обоих сосудах по-прежнему одинаковы. Изменяя положение одного сосуда относи­тельно другого, мы не сможем сделать различными уровни жидкости. Гелий II каким-то необычным образом перетекает из одного сосуда в другой и весьма быстро выравнивает уровни.

Перенос тепла и движение. В обычных жидкостях существует два механизма переноса тепла — теплопроводность и конвекция.

Теплопроводность — это передача тепла от более нагретых мест к менее нагретым в неподвижной жидкости. Рассмотрим сле­дующий опыт (рис. 1.3). Нагреватель Н излучает тепло. Если пе­ренос тепла осуществляется посредством теплопроводности, то жидкость неподвижна, а ее температура убывает в направлении, указанном на рисунке стрелкой (слева направо), так что при пере­даче тепла от болеенагретых мест к менее нагретым возникает поток тепла в этом же направлении. Таким образом, для переноса тепла этим способом необходимо, чтобы термометр Тх показывал более высокую температуру, чем термометр Т2. Количественной ха­рактеристикой теплопроводности жидкости является коэффициент теплопроводности, определяемый отношением потока тепла к воз­никающей разности температур. Чем больше коэффициент тепло-проводимости, тем больший поток тепла переносится в жидкости при той же разности температур или, другими словами, тем меньшая разность температур необходима, чтобы обеспечить один и тот же поток тепла.

2

3

Рис 1.3. Схема опыта, демонстрирующего перенос тепла в жидкостях
 

4

Рис. 1.4. Схема опыта, демонстрирующего перенос тепла в гелии II

Конвекционный перенос тепла происходит путем движения жидкости. Если в опыте на рисунке 1.3 жидкость приходит в движение  направлениислепа направо, то в этом же направлении происходит перенос тепла, поскольку движущаяся жидкость переносит с собой имеющуюся в ней тепловую энергию.  Причиной потока тепла в данном случае является скорость жидкости, а не разность температур. Конвекционный перенос тепла может, таким образом, происходить при равных показаниях параметров Т1, Т2.В обычных жидкостях конвекция, т.е. движение жидкости, возникает лишь при больших значениях потока тепла. Если поток тепла мал то механизм переноса тепла осуществляется только за счёт теплопроводности. Тогда можно определить коэффициент теплопроводности жидкости как отношение потока тепла, измеренного на опыте, к разности температур.Если осуществить этот опыт в гелии II, то обнаружим, что как угодно малые количества тепла переносятся через жидкость при абсолютно равных показаниях термометров 71, и Т2 Из этого ре­зультата возможны два вывода. Если предположить, что в гелии II, как и в обычных жидкостях, при малых потоках тепла конвекция несущественна, то можно вычислить теплопроводность. Отношение отличного от нуля потока тепла к нулевой разности температур равно бесконечности. Таким образом, в этом случае гелию II надо приписать бесконечную теплопроводность. Однако можно предположить, что в гелии II перенос тепла осуществляется только посредством конвекции и тогда разность температур не должна возникать.

Для того чтобы выяснить, какая из двух возможностей соответ­ствует действительности, поступим следующим образом. Устано­вим в гелии лепесток Л, который может свободно вращаться вокруг неподвижной оси О (рис. 1.3). Опыт показывает, что всегда, когда через гелий II протекает поток тепла, лепесток отклоняется в на­правлении потока. Это ясно говорит о движении жидкости. Та­ким образом, осуществляется вторая возможность.

Ситуация, однако, значительно сложнее, чем нам сейчас ка­жется. Проделаем следующий, весьма показательный опыт (П. Л. Капица, 1941 г., рис. 1.4). Установим нагреватель Н в гелии II, частично заполняющем замкнутый сосуд с единственным выходом в окружающий гелий II. Вблизи выхода установим тот же лепесток Л на оси О. Если включить нагреватель, то поток тепла будет вы­текать из внутренней области наружу, что, как мы уже знаем, сопровождается возникновением движения гелия II. Действитель­но, лепесток Л отклоняется вправо, показывая, что жидкость вы­текает из сосуда. Но теперь мы с удивлением обнаружим, что уро­вень жидкости в сосуде не понижается. Можно производить опыт как угодно долго. Лепесток все время будет отклонен, так что жид­кость, казалось бы, непрерывно вытекает, однако уровень остается на месте. С учетом закона сохранения массы последний результат убедительно показывает, что законы движения гелия II должны принципиально отличаться от обычных законов движения жидкости.

|
Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top