А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 78

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 78)

Наиболее важным свойством Не П 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 П это трение полностью отсутствует и давление, показываемое манометрами 1 и 2, одинаково (сечения трубок и скорости р жидкости в областях измерения давления одинаковы). Однако такое простое представление о течении Не П является неполным и, следовательно, неточным. Будем некоторое тело двигать в Не П со скоростью р. Гелий П оказывает сопротивление г",р движущемуся телу (рис. 129), что противоречит сделанйому из предыдущего эксперимента выводу об отсутствии сил трения между движущейся жидкостью и стенками сосуда. Разрешение этого противоречия заключается в следующем. 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 сверх- текучая 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- 340 5. Твердые тела тельно нормальной компоненты возникает сила трения против направления скорости. Таким образом, двухжидкостная модель Не П полностью объясняет оба эксперимента, представляющиеся на первый взгляд противоречащими друг другу. Полная плотность жнлкости равна сумме плотностей нормальной и сверхтекучей компонент: Р = Ри + Рс.

(47.2) Полная плотность практически не зависит от температуры, но ее распределение между нормальной и сверх- текучей компонентами сильно зависит от температуры, в результате чего при температуре 0 К имеется лишь сверхтекучая компонента, а прн температуре )-перехода — лишь нормальная компонента. Свойство сверхтекучести проявляется Не П лишь прн 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 П 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 н температурами сохраняется достаточно долго. Получается ситуация, напоминающая осмотнческое давление, когда давление одной нз компонент уравновешивается через полупроницаемую перегородку, а давление компоненты, не проникающей через эту перегородку, уравновешивается перегородкой. Заметим, что сверхтекучая компонента перестает быть сверхтеплопроводящей„, если нормальная компонента лишена возможности двигаться.

Еще одним важным эффектом, связанным со сверхтекучесгью Не П, является сверхтекучий гироскоп. Кольце- образный сосуд (рис. 130, б) заполняется жидкостью Не 11 и приводнтся-во вращение вокруг оси. Затем производится охлаждение вращающейся жидкости до температуры ниже Х-перехода, в результате чего сосуд оказывается наполненным вращающимся вместе с ним Не П. После этого сосуд останавливается. Однако сверхтекучая компонента Не П продолжает двигаться, что обна- !Зо о) !2К Гелий Н окатывает сопротивление Лвииуптемуся в нем телу !30 Фонтанный эффект гелия П (а); сверят акулий гироскоп (б) 1 47. Кристаллизация н цлвяленяе 341 1З1 а) 131.

Фвзовые лнвтраыыы сера» (а1 я за»орала (б) ! — ро Виаоокаи ио.и фила ни, И вЂ” нинок»аннан о:авнааао руживается по гироскопическому эффекту, причем это движение происходит без затухания и может продолжаться сколь угодно долго. Момент импульса Ь - ре (р), где (л) — средняя скорость сверхтекучей компоненты, вращающейся внутри сосуда. Как показывает, эксперимент, с изменением температуры жидкости изменяется 1., причем зависимость 1. от температуры точно такая, как у р,.

Это означает, что у вращающейся сверхтекучей жидкости сохраняется не момент импульса, а скорость, что не может быть объяснено просто отсутствием трения. Гелий 11 является смачиваюшей жидкостью для всех других материалов. Это обусловлено тем, что силы взаимодействия между атомами гелия слабее; чем силы взаимодействия между атомами гелия с любыми другими атомами. Поэтому у стенок сосуда уровень гелия поднимается и гелий вытекает из сосуда. Теоретическое объяснение особенностей поведения Не 11 основывается на рассмотрении конденсации идеально~о газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна.

Однако входить в детали этого объяснения в рамках данной книги не представляется возможным. Полиморфизм. Твердые вещества, вообще говоря, могут находиться в различных кристаллических модификациях, отличающихся между собой структурой кристаллической решетки. Например, углерод может существовать в виде графита и в виде алмаза, имеется много модификаций льда, сера существует в двух модификациях и т. д, Это явление называется полиморфизмом. Переход твердого тела из одной кристаллической модификации в друаую называе.тпя полиморфвым превращением.

При этом происходит перестройка кристаллической решетки. Каждая модификация устойчиво существует в определенной области температур и давлений. Одновременное существование двух модификаций (см. й 41) возможно лишь при определенном соотношении между температурой и давлением, т.

е. модификации между собой разделяются линиями на фазовой диаграмме р, Т. Из правила фаз следует, что три модификации могут находиться в равновесии лишь при одном значении р, Т, т. е. в тройной точке. Это означает, что в одной точке на диаграмме р, Т могут сходиться лишь три линии, разделяющие между собой различные модификации. На рис. 131, а дана диаграмма для серы. В твердом состоянии существуют две модификации кристаллической решетки — моноклинная и ромбическая. На рис. 131, б дана диаграмма состояний углерода, у которого существуют 342 5. Твердые тела две одинаковые устойчиные модификации: при давлении ниже 1,5 ГПа графит (П), а при более высоких — алмаз (Ц. Однако алмаз может существовать и при небольшом давлении.

В этом случае его состояние является метастабильным. Оно очень устойчиво. Алмаз в нем может находиться достаточно долгое время и лишь при нагревании до 1000 К переходит в графит. Аналогично и графит при повышении его температуры и давления до значений, соответствующих области устойчивого состояния алмаза, продолжает оставаться графитом и «не спешит» превратиться в алмаз. Его состояние является хотя и метастабильным, но достаточно устойчивым. Превращение графита в алмаз потребовало больших научно-технических усилий и в настоящее время широко используется в промышленности для производства искусственных алмазов.

Полиморфное превращение является фазовым переходом. Оно сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты перехода, которая связана с перестройкой кристаллической решетки. Фазовые переходы первого и второго рода. Перехол между жидким и газообразным состояниями (см. 2 30) был назван фазовым переходом первого рода. Рассмотренный переход жидкость — твердое тело также является фазовым переходом первого рода.

Уравнение, связывающее между собой давление и температуру, при которых осуществляется фазовый переход первого рода, было выведено вя 31. При рассмотрении гелия нам встретился другой тип фазового перехода — Х-переход или, более употребительно, фазовый переход второго рода. Отличительной особенностью фазовых переходов первого рода является скачкообразное изменение удельной внутренней энергии и связанных с ней величин в точке перехода и, следовательно, наличие скрытой теплоты перехода.

Переход совершается при определенных температуре и давлении, и в процессе перехода обе фазы одновременно существуют в объеме и пространственно разграничены. Фазовые переходы второго рода происходят сразу во всем объеме и обязательно связаны с изменением симметрии системы. Температура, при которой происходит фазовый переход, называется точкой Кюри. Поскольку переход происходит сразу во всем объеме, не существует пространственного разделения фаз и их нахождения в равновесии друг с другом. Поэтому нет скачка внутренней энергии, поскольку в противном случае фазовый переход одновременно во всем объеме был бы просто невозможен из-за закона сохранения энергии.

Характеристики

Список файлов книги