Kapalné helium je kapalný stav agregace helia . Je to bezbarvá průhledná kapalina vroucí při teplotě 4,2 K (pro izotop 4 He při normálním atmosférickém tlaku ) [1] [2] . Hustota kapalného helia při teplotě 4,2 K je 0,13 g/cm³ . Má nízký index lomu , takže je špatně vidět.
Za určitých podmínek je kapalné helium kvantovou kapalinou , to znamená kapalinou, v jejímž makroskopickém objemu se projevují kvantové vlastnosti atomů, z nichž se skládá. V důsledku kvantových efektů ( vibrace nulového bodu ) při normálním tlaku helium netuhne ani při absolutní nule . Pevné helium v α-fázi lze získat pouze při tlacích nad 25 atm .
Historie získávání a výzkumu kapalného helia je úzce spjata s historií vývoje kryogeniky .
Fyzikální vlastnosti helia jsou velmi odlišné pro izotopy 4 He a 3 He:
| Vlastnictví | 4 On | 3He _ | |
|---|---|---|---|
| Bod tání, K | 2,0 (při 3,76 MPa ) | 1,0 (při 3,87 MPa ) | |
| Bod varu, K | 4,215 | 3.19 | |
| Minimální tavný tlak, atm | 25 | 29 ( 0,3 tis. ) | |
| Hustota plynu, kg/m³ | 0,178 | 0,134 | |
| Hustota kapaliny, kg/m³ | 145 (při 0 K ) | 82,35 | |
| Kréta. tečka | t krit , K | 5.25 | 3.35 |
| p krit , MPa | 0,23 | 0,12 | |
| d krit , kg/m³ | 69,3 | 41.3 | |
Kapalné helium je Boseova kapalina , tedy kapalina, jejíž částice jsou bosony .
Nad teplotou 2,17 K se helium-4 chová jako běžná kryotekutina , to znamená, že se vaří a uvolňuje bublinky plynu. Při dosažení teploty 2,17 K (při tlaku par 0,005 MPa - tzv. λ-bod ) dochází u kapaliny 4 He k fázovému přechodu druhého řádu , doprovázenému prudkou změnou řady vlastností: tepelné kapacity , viskozita , hustota a další. V kapalném heliu, při teplotě pod teplotou přechodu, dvě fáze, He I a He II , koexistují současně s velmi odlišnými vlastnostmi. Stav kapaliny ve fázi helia-II je poněkud podobný stavu Boseho kondenzátu (ovšem na rozdíl od kondenzátu atomů zředěného plynu je interakce mezi atomy helia v kapalině dostatečně silná, takže teorie Boseho kondenzát není přímo použitelný pro helium-II).
Fázový přechod v heliu je dobře viditelný, projevuje se tím, že přestane vařit , kapalina se zcela zprůhlední. Odpařování helia samozřejmě pokračuje, ale pochází výhradně z povrchu. Rozdíl v chování se vysvětluje neobvykle vysokou tepelnou vodivostí supratekuté fáze (mnohomilionkrát vyšší než u He I ). Viskozita normální fáze přitom zůstává prakticky nezměněna, což vyplývá z měření viskozity metodou oscilačního disku. S rostoucím tlakem se teplota přechodu posouvá k nižším teplotám. Linie oddělení těchto fází se nazývá λ-čára.
He II se vyznačuje supratekutostí - schopností proudit bez tření úzkými (průměr menší než 100 nm ) kapilárami a štěrbinami. Relativní obsah He II se zvyšuje s klesající teplotou a dosahuje 100 % při teplotě absolutní nuly – byly činěny pokusy získat ultranízké teploty průchodem kapalného helia velmi tenkou kapilárou, kterou bude procházet pouze supratekutá složka. Vzhledem k tomu, že při teplotách blízkých absolutní nule má i tepelná kapacita tendenci k nule, nebylo možné dosáhnout výraznějších výsledků – kvůli nevyhnutelnému ohřevu od stěn kapiláry a sálání.
Vlivem supratekutosti je dosaženo abnormálně vysoké tepelné vodivosti kapalného helia - přenos tepla není způsoben tepelnou vodivostí , ale konvekcí supratekuté složky do protiproudu normální, která přenáší teplo (supratekutá složka nemůže přenášet teplo). Tuto nemovitost objevil v roce 1938 P. L. Kapitsa .
Helium v přechodném stavu mezi těmito dvěma v přírodě neexistuje: buď je na absolutní nule, nebo je v jiném, normálním stavu. Hélium v supratekutém stavu nemůže vyvíjet tlak na závěrku a obecně supratekutá kapalina nemůže vyvinout žádný tlak, jelikož je to kapalina, jejíž viskozita je rovna nule – dynamickými metodami ji nedokážeme detekovat.P. L. Kapitsa [4]
V důsledku současné přítomnosti dvou fází v kapalném heliu dochází ke dvěma rychlostem zvuku a specifickému jevu - tzv. " druhému zvuku ". Druhým zvukem jsou slabě tlumené oscilace teploty a entropie v supratekutém heliu. Rychlost šíření druhého zvuku je určena z rovnic hydrodynamiky supratekuté kapaliny ve dvousložkovém modelu . Pokud zanedbáme koeficient tepelné roztažnosti (který je pro helium abnormálně malý), pak ve druhé zvukové vlně osciluje pouze teplota a entropie , zatímco hustota a tlak zůstávají konstantní. Šíření druhého zvuku není doprovázeno přenosem hmoty.
Druhý zvuk lze také interpretovat jako kolísání koncentrace kvazičástic v supratekutém heliu. V čistém 4 He jsou to vibrace v systému rotonů a fononů .
Existenci druhého zvuku teoreticky předpověděl Landau ; vypočítaná hodnota byla 25 m/s . Skutečná naměřená hodnota je 19,6 m/s [4] .
Kapalné helium-3 je Fermiho kapalina , tedy kapalina, jejíž částice jsou fermiony . V takových systémech může za určitých podmínek nastat supratekutost, kdy mezi fermiony působí přitažlivé síly, které vedou ke vzniku vázaných stavů párů fermionů - tzv. Cooperových párů ( Cooperův efekt ).
Cooperův pár má celočíselný spin, to znamená, že se chová jako boson ; proto hmota sestávající z fermionů spojených do Cooperových párů může přejít do stavu podobného Boseově kondenzátu . Supratekutost tohoto druhu se provádí pro elektrony v některých kovech a nazývá se supravodivost .
Podobná situace nastává v kapalině 3 He, jejíž atomy mají spin ½ a tvoří typickou kvantovou Fermiho kapalinu. Vlastnosti kapalného helia- 3 lze popsat jako vlastnosti plynu fermionových kvazičástic s efektivní hmotností přibližně 3x větší než je hmotnost atomu 3He. Přitažlivé síly mezi kvazičásticemi v 3 He jsou velmi malé, pouze při teplotách v řádu několika milikelvinů v 3 He jsou podmínky vytvořené pro vznik Cooperových párů kvazičástic a vznik supratekutosti. Objev supratekutosti v roce 3 mu usnadnil vývoj účinných metod pro získání nízkých teplot - Pomeranchukův jev a magnetické chlazení . S jejich pomocí bylo možné objasnit charakteristické rysy stavového diagramu 3 He při ultranízkých teplotách.
Přechod normální Fermiho kapaliny do fáze A je fázový přechod druhého řádu ( teplo fázové přeměny je nulové). Ve fázi A mají výsledné Cooperovy páry rotaci 1 a nenulový moment hybnosti . Mohou se v něm objevit oblasti se směry rotace a momentu hybnosti společnými všem párům. Proto je fáze A anizotropní kapalina. V magnetickém poli se fáze A rozdělí na dvě fáze (A 1 a A 2 ), z nichž každá je také anizotropní. Přechod ze supratekuté fáze A do supratekuté fáze B je fázový přechod prvního řádu s přechodovým teplem asi 1,5⋅10 −6 J/mol . Magnetická susceptibilita 3 He prudce klesá během přechodu A→B a poté dále klesá s klesající teplotou. Fáze B se zdá být izotropní.
Stejně jako ostatní kryotekutiny je helium uloženo v Dewarsovi . Helium je v nich vždy skladováno pod nízkým tlakem – kvůli přirozenému odpařování kapaliny. To umožňuje zabránit kontaminaci helia v případě mírného úniku. Přebytečný tlak se uvolňuje ventilem . V praxi, protože helium je poměrně drahé, aby se neuvolňoval plyn do atmosféry, je na hlavu Dewarovy nádoby umístěn konektor, který spojuje Dewarovu síť s heliovou sítí, kterou se plynné hélium shromažďuje pro opětovné použití. Ke stejné sestavě jsou zpravidla připevněny manometr a nouzový ventil .
Heliové Dewarovy nádoby nelze převrátit, k transfuzi obsahu se používají speciální sifony .
Helium má velmi nízké výparné teplo ( 20krát méně než vodík), ale má vysokou tepelnou vodivost . Proto jsou kladeny vysoké požadavky na kvalitu tepelné izolace heliem Dewarových. Pokud je vakuové těsnění poškozeno, kapalina vře tak prudce, že Dewarova nádoba může explodovat. Zpravidla se pro snížení ztrát helia při vypařování používá „dusíkový plášť“ - další plášť je umístěn přímo ve vakuové dutině Dewarovy nádoby, která je chlazena vařícím kapalným dusíkem (teplota 77 K ). Díky tomu je možné výrazně snížit výměnu tepla mezi heliem a atmosférou.
Kapalné helium se přepravuje ve speciálních přepravních nádobách vyráběných komerčně. V SSSR a později v Rusku se vyráběly nádoby typu STG-10, STG-25, STG-40 a STG-100 o objemu 10, 25, 40 a 100 litrů . Tyto nádoby jsou v současné době široce používány v ruských laboratořích. Nádoby s kapalným heliem musí být přepravovány a skladovány ve svislé poloze.
Kapalné helium se používá jako chladivo k získání a udržení nízkých a ultranízkých teplot (hlavně ve vědeckém výzkumu):