Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
сохранены наиболее важные для анализируемого явления зависимости, как это
и делалось при рассмотрении большинства вопросов в этой книге. Для того
чтобы использовать р ^поверхность непосредственно, целесообразно
построить ее пространственную модель. Именно так и 'поступают в научных
исследованиях агрегатных состояний вещества.
Жидкий гелий. Особое положение среди веществ занимает гелий, который при
давлении ниже 3 МПа остается в жидком состоянии при температуре, сколь
угодно близкой к О К. Диаграмма состояний гелия показана на рис. 126.
Температура тройной точки А лежит вблизи 2 К, а давление очень мало. При
температуре ниже тройной точки не происходит перехода Не I в твердое
состояние, как это следовало бы ожидать, а происходит фазовый переход,
известный как ^-переход (ламбда-переход). Этот Х-переход осуществляется
на линии АВ. При нем жидкость. остается жидкостью и отсутствует скрытая
теплота. Следовательно, это не фазовый переход первого рода. Свое
название он получил из-за поведения теплоемкости, поскольку кривая,
изображающая теплоемкость вблизи температуры Тх 7,-перехода, напоминает
греческую букву X (рис. 127). При температуре /^-перехода теплоемкость
обращается в бесконечность.
Не II является бесцветной прозрачной жидкостью и не отличается по
внешнему виду от Не I. Плотность жидкостей одинаковы и по свойствам они
резко отличаются.
126
О Тх Т
126. Диаграмма состояний гелия
127. Зависимость теплоемкости от температуры вблизи Т.-перехода
§ 47.' Кристаллизация и плавление 339
128
При откачке пара из объема, занимаемого жидкостью, по достижении точки
кипения Не I энергично кипит по всему объему, в Не II пузырьки в объеме
жидкости не образуются, а все превращения жидкости в пар происходят на
границе между жидкостью и паром. Это является следствием
сверхтеплопроводности Не II, благодаря которой внутри жидкости не
образуются пузырьки перегретого пара, как в обычной жидкости.
Наиболее важным свойством Не II является его сверхтекучесть, т. е.
способность без трения протекать через узкие отверстия. На рис. 128'
схематически проиллюстрировано физическое содержание этого явления. У
обычной жидкости давление, показываемое манометром 2, меньше, чем
давление, показываемое манометром 1, поскольку в направлении потока
жидкости происходит падение давления из-за преодоления трения слоев
жидкости друг о друга и о стенки сосуда. В Не II это трение полностью
отсутствует и давление, показываемое манометрами 1 и 2, одинаково
(сечения трубок и скорости v жидкости в областях измерения давления
одинаковы).
Однако такое простое представление о течении Не II является неполным и,
следовательно, неточным. Будем некоторое тело двигать в Не II со
скоростью v. Гелий II оказывает сопротивление Fxp движущемуся телу (рис.
129), что противоречит сделанному из предыдущего эксперимента выводу об
отсутствии сил трения между движущейся жидкостью и стенками сосуда. Раз-
128. Гелий н протекает через ка- решение этого противоречия заключается в
следующем, пилляры без трения Жидкость состоит из двух компонент -
нормальной и
сверхтекучей, которые взаимно проникают друг в друга. При течении через
капилляр (см. рис. 128) нормальная компонента покоится относительно
стенок сосуда, а сверхтекучая компонента движется без трения как
относительно стенок, так и относительно нормальной компоненты. Во втором
эксперименте (рис. 129) тело движется как относительно нормальной, так и
относительно сверхтекучей компонент. Благодаря движению относи-
р. ~ (Г - Т)2/3
22*
340 5. Твердые тела
тельно нормальной компоненты возникает сила трения против направления
скорости. Таким образом, двухжидкостная модель Не II полностью объясняет
оба эксперимента, представляющиеся на первый взгляд противоречащими друг
другу.
Полная плотность жидкости равна сумме плотностей нормальной и
сверхтекучей компонент:
Р = Рн + Рс- (47.2)
Полная плотность практически не зависит от температуры, но ее
распределение между нормальной и сверхтекучей компонентами сильно зависит
от температуры, в результате чего при температуре 0 К имеется лишь
сверхтекучая компонента, а при температуре ^-перехода - лишь нормальная
компонента.
Свойство сверхтекучести проявляется Не II лишь при достаточно малых
скоростях течения. Всегда существует некоторая критическая скорость
течения, выше которой явление сверхтекучести исчезает.
Благодаря зависимости соотношения плотностей нормальной и сверхтекучей
компонент от температуры возникает интересный эффект, называемый часто
фонтанным. Два сосуда (рис. 130, а) соединены капилляром, заполненным
пористым веществом, через которое нормальная компонента Не II не
проникает, а сверхтекучая - проникает. Если в одном из колен повысить
температуру, то уровень жидкости в нем поднимается. Если оба колена
достаточно хорошо теплоизолировать друг от друга, то состояние равновесия
с разными уровнями жидкости и температурами сохраняется достаточно долго.
