8.1 Фазовая и энтропийная диаграммы 3Не

Энтропия (делённая на газовую постоянную) твёрдого и жидкого 3He вдоль кривой плавления

Необычное поведение кривой плавления 3Не ниже 1 К показано на рис. 8.1. Вплоть до ~ 0,3 К кривая плавления показывает обычный положительный наклон, dPm/dT > 0, но ниже этой температуры наклон меняет знак, и давление увеличивается вдоль кривой плавления с понижением температуры. Кривая плавления 3Не показывает резко выраженный минимум при 29,32 бар и 316 мК [8.6-10]. Очевидно, если мы движемся вдоль кривой плавления ниже этого минимума за счет роста давления, и при этом затвердевает все больше и больше 3Не, то температура должна понижаться (охлаждение по методу Померанчука).

Согласно уравнению Клаузиуса-Клапейрона

 

(где разности берутся на кривой плавления), и поскольку молярный объем жидкой фазы всегда больше (на постоянную величину 1,31 см3/моль при Т < 40 мК [8.6,7]) молярного объема твердой фазы, то мы имеем

 

Этот отрицательный наклон кривой плавления означает, что мы имеем необычную ситуацию, когда у жидкой фазы энтропия меньше, чем у твердой (рис. 8.2). Тот факт, что жидкое состояние является более упорядоченным, приводит к охлаждению при затвердевании, если мы выполняем адиабатическое сжатие. Получаемая холодопроизводительность может быть представлена следующим образом:

 

где nsol — скорость затвердевания 3Не. Правая часть (8.4) есть скрытая теплота кристаллизации.