Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Нормальное движение обладает всеми свойствами вязкого течения жидкости, тогда как сверхтекучее движение приводит к явлению сверхтекучести. Двухжидкостная модель предполагает также, что сверхтекучее движение в гелии-И не только не сопровождается вязкостью, но и не принимает участия в переносе тепла.
4. С изложенной точки зрения понятно исчезновение вязкости Не II при течении через очень узкие капилляры. Нормальное (вязкое) течение Не II через узкий капилляр просто не происходит. Совершается только сверхтекучее течение, лишенное вязкости. Эффект выражен тем лучше, чем уже капилляр, так как в широких капиллярах течение становится турбулентным.
Прямо? опыт Э. Л. Андроникашвили (р. 1910) в 1946 г. подтвердил справедливость двухжидкостной модели. Схема этого опыта представлена на рис. 111. Стопка очень тонких дисков
388
МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
[ГЛ VII
из алюминиевой фольги (толщина 0,0015 см), расположенных на одной оси на равных расстояниях друг от друга (0,021 см), подвешивалась на упругой нити и совершала крутильные колебания в Не II. При колебаниях дисков увлекался только нормальный компонент Не II, тогда как сверхтекучий не оказывал никакого влияния на эти колебания. При Т > 7\ в колебаниях принимала участие вся жидкость. При переходе через ^-точку период колебаний резко уменьшался, что объясняется появлением в Не II сверхтекучего компонента. Уменьшение периода колебаний непрерывно продолжалось и при дальнейшем понижении температуры. Измеряя периоды колебаний, можно было определить относительные содержания рп/р и ps/p нормального и сверхтекучего компонентов при различных температурах.
Результаты графически представлены на рис. 112. Из него видно, что при абсолютном нуле содержится только сверхтекучий компонент. При повышении температуры его содержание уменьшается. Температура, при которой ps/p обращается в нуль, и представляет собой точку перехода гелия-П в гелий-1. Таким образом, фазовый переход в жидком гелии связан с исчезновением (или появлением) сверхтекучей части жидкости. Это исчезновение (или появление) происходит постепенно, т. е. в ^-точке р„/р принимает предельное значение р„/р = 1 непрерывным образом, без скачка. Поэтому-то переход и является фазовым переходом второго рода.
С изложенной точки зрения понятно, почему при вытекании Не II из сосуда через узкий капилляр или щель он не обнаруживает вязкости. Это связано с тем, что из сосуда вытекает сверхтекучая часть жидкости, не обнаруживающая трения, а нормальная часть задерживается в сосуде, протекая через капилляр несравненно медленнее, со скоростью, свойственной ее вязкости и толщине капилляра. Диск же, совершающий крутильные колебания в Не II, тормозится трением о нормальную часть жидкости. Благодаря этому и получается конечное значение вязкости. Таким образом, в опытах с протеканием по капилляру обнаруживается наличие сверхтекучей части Не II, а в опытах с колебаниями диска — нормальной.
5. Обратимся теперь к рассмотрению некоторых явлений, наблюдающихся в Не II.
Пусть два сосуда, наполненные Не II, соединены друг с другом узким капилляром. Практически роль капилляра может выполнять трубка, плотно забитая мелким порошком (например, наждачным). Между частицами порошка образуются извилистые каналы различной толщины (~100 нм), по которым и может течь сверхтекучая часть гелия. Если первоначально температуры Не II в сосудах были одинаковы, а уровни жидкости различны, то начнется перетекание сверхтекучей части гелия из одного сосуда в другой. Оказывается, что при этом температура
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ. ОПЫТНЫЕ ФАКТЫ
389
Не II будет повышаться в сосуде, из которого гелий вытекает, и понижаться в сосуде, куда он втекает. Это явление называется механотермическим или механокалорическим эффектом. Оно объясняется тем, что сверхтекучая часть Не II, с помощью которой только и осуществляется перетекание, не переносит никакого тепла. Поэтому внутренняя энергия в сосуде, откуда вытекает Не II, не изменяется, а общее количество жидкости в нем уменьшается. На единицу массы приходится все большая и большая внутренняя энергия, что и приводит к повышению температуры. Напротив, из-за втекания сверхтекучей части во второй сосуд удельная внутренняя энергия Не II в нем уменьшается, а поэтому температура понижается.
6. Существует обратный эффект, называемый термомеханическим. Допустим опять, что два сосуда с Не II сообщаются между собой узким капилляром. Пусть теперь в начальный момент температуры и уровни жидкости в обоих сосудах одинаковы. Нагреем один из сосудов. Тогда в нем содержание сверхтекучего компонента уменьшится, а нормального увеличится. Термодинамическое равновесие нарушится. Механическое равновесие будет быстро восстанавливаться путем перетекания сверхтекучего компонента из более холодного в более теплый сосуд. Такой процесс из-за механотермического эффекта будет только увеличивать разность температур в обоих сосудах. Нормальный компонент практически не участвует в перетекании. Выравнивание температур происходит несравненно более медленно, чем установление механического равновесия.
