2.3.3 Теплоемкость

Многие основные свойства веществ, в том числе жидкого гелия, были обнаружены благодаря их теплоемкости. Прежде всего, теплоемкость жидкого гелия очень велика по сравнению с теплоемкостью других материалов при низких температурах (рис. 2.8). Например, при ~ 1,5 К теплоемкость 1 г 3Не или 4Не порядка 1 Дж/К, в то время как теплоемкость 1 г Cu при этой температуре — только около 10–5 Дж/К. Этот замечательный факт имеет большое техническое значение для низкотемпературной физики. Он означает, что тепловое поведение, например время тепловой релаксации, низкотемпературной аппаратуры в наибольшей степени определяется количеством и тепловым поведением содержащегося там жидкого гелия. Кроме того, скрытая теплота испарения жидкого гелия — хотя она много меньше скрытой теплоты испарения остальных веществ — велика по сравнению с теплоемкостью этих веществ при низких температурах, что позволяет нам охладить различные материалы, например металлы, с помощью жидкого гелия. Оба свойства означают, что температура экспериментального устройства быстро следует любому изменению температуры охлаждающей гелиевой ванны.

по сравнению с теплоёмкостью жидкого 3He

При низких температурах свойства веществ сильно изменяются за счет статистических или квантовых эффектов. Это особенно важно для теплоемкости изотопов гелия. Как видно из рис. 2.9, теплоемкость 4Не имеет резкий максимум при ~ 2 К, указывая на фазовый переход к новому состоянию этой жидкости. Обнаружение этого фазового перехода стало большой неожиданностью для ученых. Не ожидалось ничего интересного, что могло бы произойти при низких температурах с этой весьма простой жидкостью, состоящей из инертных сферических атомов. Поэтому когда JI. Дана и Г. Камерлинг-Оннес в 1920 г. измерили теплоемкость жидкого гелия и увидели «аномальное» увеличение теплоемкости вблизи ~ 2 К, они не опубликовали данные при этих температурах, полагая, что они связаны с некоторыми экспериментальными ошибками. Позже В. Кеезом и К. Клузиус (1932 г.) в той же лаборатории Лейденского университета в свою очередь измерили теплоемкость жидкого гелия и снова увидели резкий пик теплоемкости. Они верили своим данным и понимали, что в данной жидкости при этой температуре имеет место фазовый переход, переход к уникальному «сверхтекучему состоянию» 4Не. В. Кеезом ввел обозначение НеI для нормальной жидкости выше температуры перехода и HeII для сверхтекучей жидкости ниже температуры перехода. История с теплоемкостью жидкого 4Не является одним из важных примеров в физике, показывающих, что никогда нельзя пренебрегать любыми кажущимися «аномальными» результатами или данными, если нет достаточных оснований считать ненадежными свои измерения. Максимум теплоемкости жидкого 4Не вблизи 2,2 К был измерен с высоким температурным разрешением в прошлые десятилетия (рис. 2.9). В настоящее время известно, что эти очень точные измерения с температурным разрешением в несколько нанокельвинов являются одной из наиболее важных проверок основ современных теорий фазовых переходов [2.22-24]. Это показывает, что свертекучий переход в жидком гелии является хорошей моделью для изучения фазовых переходов и очень удобен для низкотемпературной термометрии (разд. 11,12). Гелий является превосходной системой для изучения свойств с очень высоким температурным разрешением вблизи критической температуры благодаря его чрезвычайной чистоте (все остальные вещества «вымерзают»), отсюда резкость перехода. Из-за характерной формы максимума теплоемкости используется термин «λ-переход», обозначающий сверхтекучий переход в 4Не, имеющий место при » λ-температуре» Tλ = 2,1768 К при давлении насыщенного пара. С ростом давления λ-температура уменьшается до значения 1,7673 К на кривой плавления (рис. 2.3а).

при повышенном разрежении по T в линейном и логарифмическом масштабах

Выше λ-перехода 4Не в основном ведет себя подобно классической жидкости, а в некотором отношении — из-за малой плотности — подобно классическому газу (рис. 2.10). Однако ниже Tλ благодаря конденсации в пространстве импульсов (типа Бозе-Эйнштейна) его энтропия и теплоемкость быстро уменьшаются с температурой (рис. 2.8). Между 1 К и 2 К теплоемкость 4Не имеет сильную температурную зависимость из-за так называемых ротонных возбуждений. Наконец, ниже 0,6 К теплоемкость уменьшается как Т3 за счет возбуждений типа фононов, как и для дебаевских диэлектриков (разд. 3.1.1) [2.12-18].

теплопроводность гелия в зависимости от температуры

Изотоп 3Не имеет ядерный спин I = 1/2. Поэтому это ферми-частица, подчиняющаяся статистике Ферми и принципу Паули. Эта жидкость имеет много общих свойств с «заряженной ферми — жидкостью», состоящей из электронов в металлах, которые также являются частицами со спином 1/2. Например, теплоемкость 3Не подчиняется закону С ~ Т при достаточно низких температурах. Этот результат и некоторые другие свойства 3Не будут обсуждаться в разд. 2.3.6 и в гл. 7,8.

 

View one comment on “2.3.3 Теплоемкость

Comments are closed.