1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Сжижеиие генов и получение низких температур 1. В 2 13.3 было показано, что сжижение газа путем изотермического уменьшения его объема возможно только в том случае, когда его температура ниже критической. Поэтому задача сжижения газов неразрывно свизана с разработкой методов их сильного охлаждения, т. е.
получения низких температур. рассмотрим некоторые из этих методов, 1О* 2. Известно, что для поддержания кипения жидкости к ней нужно непрерывно подводить теплоту. Поэтому кипящие жидкости способны охлаждать окружающие тела, находящиеся с ними в тепловом контакте. Это явление было использовано Р.
Пикте для получения низких температур. Сначала какой-либо газ, критическая температура которого выше комнатной (например, аммиак, Т„= 405,5 К), переводят в жидкое состояние путем изотермического сжатия. Затем понижают давление и жидкость кипит. Теплоту, необходимую для поддержания кипения, сообщает другой газ, критическая тем- 7 пература которого выше температуры кипения аммиака, но ниже его критической температуры Прн этом второй газ охлаждается ниже его критической температуры Поэтому прн изотермическом сжатии он может быть переведен в жидкое состояние Аналогично поступают дальше, посте- А пенно сжижая один газ за другим.
Однако из-за отсутствия газов с нужными критическими температурами этот метод не позволяет получить температуру ниже 63 К. В 3. Метод Дьюара — Линде основан на использовании положительного эффекта Джоуля — Томсона. Схема установки приведена на рис. 13.9. Газ, сжатый до высокого давления н охлажденный до комнатной температуры, поступает по трубопро- С = воду 1 в теплообменник А '. В вентиле В газ аднабатически дросселнруют до давления, близкого к атмосферному. При этом он охлаждается. Если понижение температуры недостаточно для сжижения газа, то его по трубопроводу 2 возвращают в теплообменинк А, где он охлаждает новые порции сжатого газа и выбрасывается через трубопровод рис !3 9 3.
Таким образом, постепенно понижается темпера- тура газа за вентилем В, пока, наконец, не начинается сжиженне газа Скондеисированный газ собирается в сосуде С. 4. Третий метод основан на охлаждении газов при совершении ими полезной работы расширения в адиабатическом процессе.
Холодильные машины, основанные на этом принципе, называют детандерами По своей конструкции детаидеры делятся на поршневые и турбинные. В первых газ расширяется в цилиндре с подвижным поршнем, а во вторых — в турбине. Турбодетандеры„в создании которых большую роль сыграл академик П. Л.
Капица, являются наиболее производительными, экономичными и компактными типами холодильных установок. 5. Благодаря интенсивному испарению гелия при низких давле- ниях удалось получить температуру порядка 0,7 К. В настоящее вре- ' Теплообменником называется устройство, служащее для нагреааная или охлаждения протекающего через него газа или жидкости — 292— мя существуют методы получения еще более низких температур Однако изложение этих методов выходит за рамки нашего курса 6.
При низких температурах резко изменяются свойства некоторых веществ. Например, резина становится хрупкой как стекло. а свинец становится упругим. Охлажденные в жидком кислороде парафин, яичная скорлупа, некоторые красители и другие вещества после облучения их ультрафиолетовыми лучами начинают светиться При температурах порядка нескольких градусов абсолютной шкалы удельные сопротивления некоторых металлов и сплавов становятся исчезающе малыми. Это явление, получившее название сверхпроводимости, будет рассмотрено во втором томе курса. й 13.6.
Сверхтекучесть гения 1. В 1938 г. академиком П. Л. Капицей было открыто явление сверхтекучести гелия при сверхнизких температурах. В 9 13 3 указывалось, что гелий принадлежит к числу газов с очень низкой критической температурой. При атмосферном давлении гелий сжижается при температуре 4,22 К и остается жидким вплоть до абсолютного нуля т. При температуре 2,19 К в жидком гелии происходит фазовый переход — жидкий гелий 1, существующий при Т )2,!9 К, переходит без выделения теплоты в жидкий гелий И, существующий при Т = 2,19 К. Фазовый переход такого типа носит название фазового перехода И рода (см.
э 15.5) Гелий И коренным образом отличается от гелия 1 по своей теплопроводности и вязкости ГелиИ 1 ведет себя приблизительно так же, как другие сжиженные газы при низких температурах (водород, неон, воздух) Теплопроводность и вязкость этих жидкостей кевелики. Например, коэффициент вязкости гелия ! вблизи температуры 4,22 К составляет 10 "Па с. Напомним для сравнения, что коэффициент вязкости водорода при г = 20 С равен !О в Па ° с Наиболее замечательным свойством гелия И оказалось отсутствие вязкости у этой жидкости. Гелий И протекает через капилляры практически без трения.
Это свойство гелия И было названо сверхтекучестью гелия Измерения коэффициента вязкости гелия И наиболее чувств|пельными методами показали, что коэффициент вязкости у гелия И во всяком случае меньше 10 "Пз ° с. 2. Согласно так называемой двухжидкостной модели гелий И представляет собой смесь двух жидкостей — сверхтекучей и нормаль. ной. Сверхтекучая компонента не участвует в переносе энергии и движется беэ трения. Нормальная компонента гелия И испытывает трение и осуществляет перенос энергии в жидкости Существование в гелии И двух компонент может быть обнаружено на следующем опыте (рис. 13.10).
В гелий И, находящийся в сосуде Дьюара, помещена ' Гелий в твердом состоииии моисио получить при температурак, меньших 4,22 К, если давлеиие превышает 22 атмосферы — 293— колбочка, в широкой части которой находится нагреватель в виде проволочной спирали. При нагревании спирали из горлышка колбы вытекает струя гелия, которая может быть обнаружена по вращению легкой вертушки, поставленной на пути струи. Однако Количество жидкости в колбе не уменьшается и, следовательно, гелий не только вытекает из нее, но и одновременно втекает в колбу из сосуда Дьюара. В одних и тех же местах жидкости существуют два потока, направленные в противоположные стороны.
Вытекаюший поток гелия П переносит теплоту и оказывает давление на вертушку. Эта часть жидкости и является нормальным гелием П. Втекающий поток гелия П Рис. 13.10. Рис. 13,11. не несет теплоты и не оказывает давления. Зта часть жидкости является сверхтекучей.
Возле спирали сверхтекучая часть гелия П превращается в нормальную и обе части гелия движутся одна сквозь другую без трения, Огромная теплопроводность гелия П связана с наличием двух встречных потоков жидкости: в направлении убывания температуры течет нормальная часть гелия П и одновременно в противоположном направлении течет сверхтекучая часть.
При течении гелия 1! по тонким трубкам протекает, главным образом, сверхтекучая часть жидкости,.а нормальный гелий 11 остается на месте. Поэтому, если из сосуда А (рис. 13.11) гелий по капилляру перетекает в сосуд В, то в А жидкость нагревается, а в В охлаждается. Причина этого заключается в том, что вся энергия, оставшаяся в нормальной части жидкости, распределяется на меньшую массу, это приводит к повышению температуры.
В сосуд В переходит сверхтекучая часть жидкости, не переносящая энергию, поэтому температура в сосуде В понижается. Идея о существовании в гелии !! сверхтекучей н нормальной жидкостей позволила развить гидродинамическую теорию гелия П, в которой нашли свое макроскопическое объяснение свойства гелия !1. На важнейший вопрос о природе этих свойств гидродинамнческая теория ответить не могла '. ' Серьезным успехом макроскопнческой гидродинамикн гелия !1 явилось обьяснение существования второго звука в гелии 11.
В то время как в обычных жидкостях могут распространяться обычные звуковые волны, в гелии П, помимо обычных звуков, распространяющихся со скоростью 250 и/с, могут существовать волны другого типа — так называемый второй звук, скорость распространения которого приблизительно в 1О раз меньше. — 294— 3. Рассмотрим некоторые основы современных квантовых представлений о сверхтекучести гелия П. Прежде всего следует сказать, что только квантовая теория обьяснила, почему именно гелий является единственной незамерзающей жидкостью при очень низких температурах и нормальном давлении. Квантовая теория показывает, что, в отличие от классических представлений, при любой как угодно низкой температуре вещества (в том числе и при Т = 0) существуют«нулевые» колебания атомов и молекул. Им соответствует некоторая «нулевая энергия», которую невозможно отнять у вещества.
Ответ на вопрос о том, остается ли вещество вблизи абсолютного нуля жидким нли твердым, зависит от того, что играет определяющую раль — межмолекулярное притяжение, вызывающее образование кристаллической решетки, или «нулевые колебания», препятствующие этому образованию. В гелии силы взаимодействия между атомами весьма слабы, а «нулевые колебания», в силу легкости гелиевых атомов, весьма интенсивны. Поэтому прн обычных давлениях кристаллическая решетка в гелии не образуется и он не замерзает. При абсолютном нуле тепловое движение частиц отсутствует ', а при очень низких температурах оно весьма малоинтенснвно.
Поэтому при таких температурах можно рассматривать тепловое движение в гелии как совокупность некоторых элементарных «тепловых возбужденийж В квантовой теории доказано, что энергия тепловых возбуждений может изменяться лишь порциями — квантами 1см. $ П.б), Нагреванне жидкого гелия от Т = 0 до некоторой малой те!нпературы должно привести к появлению в нем «элементарных возбуждений». С появлением этих возбуждений связан запас внутренней энергии в жидкости и существование в ией трения, Нормальная часть жидкого гелия 11 представляет собой ту часть жидкости, в которой возникают элементарные тепловые возбуждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
