2.3.4 Транспортные свойства жидкого 4Не: теплопроводность и вязкость

В нормальном состоянии выше Т = 2,2 К жидкий 4Не из-за своей низкой плотности проявляет транспортные свойства аналогично классическому газу (рис. 2.10). То же относится к жидкому 3Не при температурах выше 0,1 К. Из-за низкой теплопроводности выше 2,2 К (она в 10 (104) раз ниже, чем теплопроводность нержавеющей стали (Cu), см. раздел 3.3) кипение жидкого 4НeI сопровождается сильным образованием пузырьков. При откачке жидкого 4НeI (или жидкого 3Не) в жидкости образуются пузырьки пара, и жидкость перемешивается, когда пузырьки поднимаются на поверхность. Пузырьки образуются, потому что внутри объема жидкость теплее, чем на откачиваемой поверхности. Очень вероятно, что в экспериментах, где используется жидкий гелий, возникают заметные тепловые градиенты в жидкости при этих температурах. Это важно, например, когда упругость пара жидкого гелия используется для целей термометрии (разд. 12.3). Наоборот, ниже 2,2 К в сверхтекучем состоянии при идеальных экспериментальных условиях (тепловой поток Q → 0) теплопроводность 4НeII бесконечна; в реальных условиях она конечна, но весьма велика (рис. 2.11).

Теплопроводность 4He при 2 барах и 20 барах в трубах диаметром 1,38 мм и 7,97 м

Очень высокая теплопроводность сверхтекучего гелия делает это вещество самой эффективной средой для достижения тепловой однородности или для передачи тепла. Например, при этих температурах жидкость, в отличие от других жидкостей, не кипит при ее нагревании снизу или откачке, потому что для кипения за счет образования пузырьков и их переноса к поверхности необходимо установление температурного градиента. Это невозможно в жидком гелии ниже Tλ , если тепловой поток не настолько велик, чтобы разрушить сверхтекучее состояние. В сверхтекучем гелии атомы испаряются исключительно из поверхности, и жидкость «спокойна», потому что пузырьки больше не образуются. Теплопроводность сверхтекучего 4Нe ниже 0,4 К в фононной области при Р ≤ 2 бар выражается как

 

где d — диаметр столба гелия в сантиметрах (рис. 2.12) [2.25]. В результате теплопроводность сверхтекучего 4Нe весьма велика для большинства экспериментальных условий по сравнению с металлом. Обсуждение физики теплопереноса в сверхтекучем 4 Не читатель сможет найти в литературе, посвященной этой квантовой жидкости [2.12-19].

Благодаря своим сверхтекучим свойствам 4HeII может покинуть контейнер посредством течения сверхтекучей плёнки по стенам

Поскольку теплопроводность сверхтекучего гелия может быть очень большой (или в идеальном случае бесконечно большой), в такой необычной жидкости могут распространяться температурные волны или волны энтропии. Эта волна называется вторым звуком в отличие от обычного первого звука, волн плотности. Скорость второго звука на порядок меньше скорости первого звука при 1 К < Т < 2 К [2.12-19].

В сверхтекучем состоянии жидкий гелий имеет исчезающе малую вязкость ηs = 0 при течении через капилляры или щели; это действительно «сверхтекучая» жидкость, если скорость течения не превышает критическое значение (соответствующее критическому току в металлических сверхпроводниках). Исчезающая вязкость позволяет в сверхтекучем гелии реализовать незатухающую моду, аналогично незатухающему току в металлическом сверхпроводнике. Прибор, который является практически вакуумно плотным при Т > Tλ , может показать течь при более низких температурах, если он находится в контакте со сверхтекучим гелием, потому что эта жидкость может течь через крошечные трещины или щели, которые непроницаемы для вязких материалов. С другой стороны это, конечно, недостаток, потому что в приборе, который был вакуумно плотным при высоких температурах, может неожиданно развиться так называемая сверх-течь, если он контактирует со сверхтекучим гелием.

Транспортные свойства жидкого 3Не будут кратко обсуждаться в разд. 2.3.6.

 

View one comment on “2.3.4 Транспортные свойства жидкого 4Не: теплопроводность и вязкость

Comments are closed.