Свойства сверхтекучести жидкого гелия II является непосредственным следствием полученного результата. В самом деле, при течении через щель обычных жидкостей в результате взаимодействия её частиц с неровностями стенок кинетическая энергия движения жидкости превращается в тепло. В случае гелия II, в котором тепловая энергия представляет собой энергию звуковых волн, наличие трения означало бы, что энергия звуковых волн возрастает, т. е. что при обтекании неровностей стенок жидкость излучает звук. Но это, как мы видели, невозможно при малых скоростях течения.

Сверхтекучесть должна наблюдаться, как показывает проведенный выше анализ излучения звука, лишь при скоростях, меньших некоторой критической скорости. При больших скоростях течения излучение звука возможно, и это должно приводить к срыву сверхтекучести. Действительно, экспериментальные исследования показывают, что такая критическая скорость всегда существует.
Рассмотрим процесс течения гелия II через щель более подробно. Невозможность излучения звука означает, что в жидкости не могут появиться новые звуковые волны. Но при любой отличной от нуля температуре в жидкости уже имеется некоторое количество звуковых волн, обусловленных наличием теплового движения. Перейдем в систему отсчета, связанную с движущейся жидкостью. Пусть жидкость покоится, а стенки щели движутся в противоположном направлении. Свойство сверхтекучести означает тогда, что движущиеся стенки не увлекают всю жидкость. Однако находящиеся в жидкости звуковые волны, сталкиваясь с движущейся шероховатой стенкой, получают от нее некоторый импульс в направлении движения стенки. Ясно поэтому, что движение стенок приводит к появлению преимущественного направления распространения звуковых волн. При этом, как мы знаем, возникает перенос массы жидкости. Таким образом, движущиеся стенки увлекают своим движением некоторую массу. При низких температурах энергия звуковых волн весьма мала, и потому переносимая ими масса меньше полной массы жидкости. В первоначальной системе отсчета это означает, что сверхтекучее движение гелия II через щель сопровождается переносом не всей, а только части массы жидкости, которая остается после вычитания массы, увлекаемой движением звуковых волн.
Получается так, как будто гелий II состоит из двух компонент, способных двигаться независимо друг от друга. Движение одной из них не сопровождается трением, и она называется поэтому сверхтекучей компонентой. Другая увлекается стенками, т. е. при ее движении трение, как и в нормальных жидкостях, возникает. Эта компонента называется нормальной. Сумма масс обеих компонент равна полной массе жидкости. Нужно, конечно, иметь в виду, что рассмотрение гелия II как состоящего из двух компонент является лишь удобным способом наглядного описания. В действительном и, как мы видели, в гелии II могут существовать два вида движений, каждое из которых сопровождается переносом своей массы, причем сумма масс равна истинной массе жидкости. Одно из этих движений связано с движением звуковых волн и сопровождается трением, второе обладает свойством сверхтекучести. Все атомы гелия участвуют в обоих движениях, так как звук по своей природе есть явление коллективное. Ни о каком разделении атомов на сверхтекучие и нормальные не может быть речи.
При повышении температуры энергия звуковых волн возрастает и вместе с ней возрастает масса, связанная с нормальным движением. Наконец, при некоторой температуре эта масса сравнивается с истинной массой жидкости. Тогда сверхтекучее движение исчезает, так как исчезает переносимая им масса и гелий II переходит в гелий I, который ведет себя как обычные жидкости, поскольку в нем возможно уже только нормальное движение. Одновременно меняется и характер теплового движения. В гелии I он такой же, как в обычных жидкостях.
Если в гелии II движется равномерно какое-либо тело со ско-ростью, меньшей критической, то возникающее при этом сверхте-кучее движение не оказывает сопротивления. Действительно, если бы сила сопротивления была отлична от нуля, то для перемещения тела к нему нужно было бы приложить силу, которая совершала бы работу. Эта работа могла бы превращаться лишь в тепло, т. е. идти на излучение звука в жидкость, что, как мы знаем, невозможно. Этот результат можно сформулировать и как отсутствие силы давления на обтекаемые сверхтекучим движением тела. Звуковые волны при взаимодействии с поверхностью твердых тел, погруженных в жидкость, обмениваются с ними импульсом, что мы уже видели на примере их взаимодействия со стенками щели. Поэтому обтекание нормальным движением сопровождается возникновением силы давления.
Теперь легко объяснить все рассмотренные в начале статьи эксперименты с гелием II.
При измерении вязкости первым способом (с помощью щели) мы не обнаруживаем вязкости гелия II, поскольку сверхтекучая компонента весьма быстро вытекает через щель без трения. Любая жидкость, обладающая вязкостью, протекала бы через достаточно узкую щель несравненно медленнее.
Измерения же вязкости с помощью колеблющегося диска приводят к отличной от нуля вязкости потому, что диск двигается в жидкости, содержащей обе компоненты. Затухание его колебаний происходит из-за взаимодействия с нормальной компонентой. Можно сказать, что в эксперименте со щелью проявляет себя сверх-текучая компонента, а в эксперименте с диском — нормальная. Опыт, изображенный на рисунке 1.2, объясняется следующим образом. Стенки сосуда в той их части, которая расположена выше уровня жидкости, покрыты всегда очень тонкой (толщина порядка 10-6 см) пленкой жидкости. Это происходит потому, что молекулы жидкости всегда притягиваются к поверхности твердых тел (Так называемые силы ван-дер-ваальсова притяжения). В обычных жидкостях наличие такой пленки практически не проявляется, поскольку из-за вязкости столь тонкая пленка может двигаться лишь с ничтожной скоростью. Сверхтекучий же гелий II способен
перетекать по пленке с весьма большой скоростью, что приводит к практически мгновенному выравниванию уровней.
Выделение тепла в гелии II представляет собой процесс излучения звуковых волн. Перенос тепла в каком-то направлении происходит потому, что энергия звуковых волн, распространяющихся в этом направлении, больше, чем в обратном. Поэтому направление переноса тепла в то же время является направлением преимущественного распространения звуковых волн. Но это значит, что в этом направлении возникает движение нормальной компоненты. Перенос тепла в гелии II, таким образом, всегда сопровождается движением нормальной компоненты, т. е. механизм переноса тепла всегда конвекционный. Поэтому в опыте, изображенном на рисунке 1.3, разность показаний термометров не возникала.
Если поток тепла передается в гелии II, заполняющем (как на рисунках 1.3 и 1.4) некоторый замкнутый сосуд, то непрерывный перенос массы жидкости в одном направлении невозможен, так как он порождал бы все возрастающую разность давлений. Поэтому возникает движение сверхтекучей компоненты в обратном направлении. Скорость сверхтекучего движения устанавливается такой, чтобы суммарный перенос массы отсутствовал. На перенос же тепла сверхтекучее движение не влияет, ибо оно вообще тепла не переносит (тепло целиком связано со звуковыми волнами). Но сверхтекучее движение не оказывает, кроме того, давления на обтекаемые тела. Поэтому лепесток в опытах, изображенных на рисунках 1.3 и 1.4, всегда отклоняется в направлении теплового потока иод действием силы, действующей со стороны обтекающей его нормальной компоненты. Отклонение лепестка на рисунке 1.4 показывает, таким образом, лишь то, что из внутренней области вытекает нормальная компонента. Уровень жидкости не меняется, так как такое же количество жидкости переносится обратно сверхтекучим движением.

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