Курсовая: Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 980 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

27 Министерство науки и образования Республики Казахстан Карагандинский Государственный Университет им . Е.А.Букетова Кафедра Общей и теоретической физики КУРСОВАЯ РАБОТА тема : "Свойства веществ п ри низких температурах . Жидкий гелий " Выполнила : студентка физического факультета гр . ФОР -11 Ютландова А.Ю. Руководитель : кандидат физико-математических наук Ильина Л.Ф. Караганда 2003 Содержание Введение 3 Глава 1. Свойства вещества при низких температурах 6 1.1 Газы при низких температурах 7 1.2 Жидкости при низких температурах 9 1.3 Получение низких температур 9 Глава 2. Жидкий гелий 12 2.1 Сверхтекучесть 16 2.2 Гелий -3 21 Заключение 24 Список использованной литературы 26 Введение Работы в области жидкого гелия представляют интерес в основном п отому , что проводятся вблизи абсолютного нуля , т.е . при очень низких температурах . В то время как область высоких температур , связанная обычно с горением , нам хорошо известна из опыта повседневной жизни , с областью низких температур нам приходится сталкив а ться гораздо меньше , и даже лабораторий , работающих с глубоким холодом , мало . Поэтому целый ряд представлений о холоде , сложившихся из повседневного опыта и не измененных сведениями , полученными в средней школе , надо несколько пересмотреть , чтобы понять з н ачение изучения явлений при низких температурах в жидком гелии . Все вы знаете , что существует так называемая абсолютная шкала температур , по которой температура отсчитывается только вверх от абсолютного нуля . Комнатная температура по этой шкале составит о к оло 300 К . Дальше идут температуры более высокие , и они достигают самой высокой температуры , какую можно получить в лабораторных условиях , - это 27000 К . Создается такое представление , что от комнатной температуры до абсолютного нуля только 300 К , а там - 27000 К , так что область низких температур лежит гораздо ближе к нам , чем область высоких , например температур самых горячих звезд . Однако это представление неправильно . Как раз диапазон температур от комнатной до температуры абсолютного нуля гораздо бол ь ше , чем до более высоких температур . Наши житейские понятия о температуре не соответствуют тем понятиям , которые созданы в физике . На самом деле диапазон явлений природы , которые можно наблюдать от комнатной температуры до предельно достижимых высоких тем ператур , гораздо менее разнообразен по своему характеру и по интерпретации , чем те явления природы , которые мы наблюдаем при более низких температурах . Физика низких температур - раздел физики , изучающий явления , которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние ( - 182,97 ° С , 90,19 К ). Большинство обычных веществ с понижением температуры сначала переходит из газообразного состояния в жидкое , а затем из жидкого – в твердое . Поэтому получение , поддержание и изучение н изких (криогенных ) температур связано в первую очередь с ожижением газов и замораживанием жидкостей . В низкотемпературных исследованиях обычно пользуются ваннами из ожиженных газов .[6] Первым систематически исследовать низкотемпературные проблемы и возмож ности ожижения газов начал в 1823 М.Фарадей . Он показал , что многие газы , например хлор , диоксид серы и аммиак , могут быть ожижены и при этом достигаются низкие температуры (до - 110 ° С ). Но многие другие газы , в частности кислород , азот , водород , углекислы й газ и метан , не поддавались ожижению его методами даже при крайне высоких давлениях , за что позднее получили название постоянных газов . И только в 1877 Л.Кальете (Франция ) и Р.Пикте (Швейцария ) сообщили о том , что им удалось впервые ожижить один из пост о янных газов – кислород . Криогенная лаборатория , которой заведовал Камерлинг-Оннес , позднее стала выдающимся центром физики низких температур . В 1895 У.Гемпсон (Англия ) и К . фон Линде (Германия ) независимо друг от друга разработали новый метод ожижения воз духа , а затем более совершенные методы ожижения воздуха были найдены Ж.Клодом во Франции и К.Гейландтом в Германии . Этими работами был заложен фундамент промышленности разделения газов , в которой результаты низкотемпературных исследований нашли самое важн о е и самое широкое техническое применение . Ожижение гелия с массой 4 (гелия -4) осуществил Камерлинг-Оннес в 1908 методом , почти совпадавшим с методом ожижения воздуха Линде . Этим было не только установлено существование жидкой фазы для всех газов , но и отк рыта новая важная область низких температур . Позднее гелий был ожижен и другими методами , в частности разработанными в 1930 Ф.Саймоном , работавшим в Германии , и в 1934 П.Л.Капицей в Кембридже (Англия ). Метод Капицы усовершенствовал в 1946 С.Коллинз (США ). Гелий -3, получаемый как дочерний продукт распада радиоактивного трития , впервые удалось ожижить в 1948 в Лос-Аламосской научной лаборатории (США ). Этот менее распространенный изотоп гелия дал возможность работать с жидкими ваннами , температура которых все го лишь на 0,25 К выше абсолютного нуля . В этой работе , мы будем рассматривать свойства веществ , которыми обладают вещества при низких температурах . Особое внимание необходимо уделить жидкому гелию , который при низких температурах обладает рядом интересны х свойств .[5] Глава 1. Свойства вещества при низких температурах При низких температурах , когда интенсивность тепловых движений оказывается ослабленной , должны , конечно , наблюдаться существенные изменения свойств вещества . Однако при рассмотрении этих изменений нужно , прежде всего , установить , какие именно температуры должны считаться низкими . Нетрудно видеть , что по отношению к разным веществам и для различных свойств этих веществ " н изкими " должны считаться совершенно различные температуры . Так , например , если речь идет о свойствах жидкостей , то ясно , что для них не имеет смысла говорить о температурах более низких , чем температура их отвердевания Т отв (мы не говорим пока об исключите льном случае жидкого гелия ). Для воды , например , комнатная температура может считаться весьма низкой , так как отношение ее к Т отв мало отличается от единицы. Нет возможности описать здесь сколько-нибудь подробно все особенности поведения веществ при низких температурах . Поэтому ограничимся лишь некоторыми общими замечаниями о низкотемпературных явлениях и о свойствах различных классов веществ в этих условиях. При самых низких температурах – тех , которые получаются с помощью жидкого гелия ("гелиевые " темпера туры ) и тем более магнитным способом , - тепловые движения оказываются настолько ослабленными , что они во многих случаях не играют большой роли . Благодаря этому как бы вскрываются те сложные взаимодействия между атомами и молекулами , которые обусловлены их строением и которые при более высоких температурах полностью или частично маскируются влиянием тепловых движений . А так как атомы и молекулы состоят из частиц , подчиняющихся законам квантовой механики , то при температурах , близких к абсолютному нулю , кван т овые эффекты становятся весьма заметными , а некоторые явления имеют чисто квантовый характер .[2] 1.1 Газы при низких температурах При обычных температурах и давлениях газы с большой точностью могут считаться идеальными . Это значит, что молекулы газа ведут себя так , как будто они совершенно не взаимодействуют между собой , и поэтому каждой молекуле приписывается только кинетическая энергия тепловых движений. В действительности , однако , взаимодействие между частицами всегда существует и молекулы газа на самом деле обладают не только кинетической , но и потенциальной энергией , обусловленной силами взаимодействия и зависящей от их взаимных расстояний . Но при высоких температурах , когда энергией можно по сравнению с ней пренебречь и считат ь газ идеальным . При низкой же температуре относительная роль потенциальной энергии возрастает , что и вызывает отклонения свойств газов от идеальности. Закон соответственных состояний , основанный на приведенном уравнении Ван-дер-Ваальса , позволяет сразу определить , является ли данная температура высокой или низкой для того или иного вещества . Низкими , очевидно , должны считаться температуры , при которых близко к единице или меньше единицы. Так , например , для паров воды (Т к =647,1 К ) комнатная температура (Т =290 К ) – это очень низкая температура , потому что . Ее можно считать низкой и для ксенона (Т к =289,1 К ): . Но для кислоро да (Т к =154,2 К ) комнатная температура должна уже считаться высокой , так как значительно больше единицы : . Сложность сил взаимодействия между молекулами газа приводит к тому , что при низких температурах уравнение Ван-дер-Ваальса оказывается недостаточно точным . При температурах вблизи и ниже критической лу чше всего согласуется опытом уравнение состояния в виде ряда (для 1 моля ) , (*) в котором силы взаимодействия находят свое отражение в зависящих от температур ы вириальных коэффициентах В , С и т.д. Первый член ряда соответствует отсутствию сил взаимодействия : если ограничиться этим членом , то , как видно из уравнения (*), мы получим уравнение состояния идеального газа . Второй вириальный коэффициент В отражает так ие взаимодействия , в которых участвуют две сближающиеся молекулы (парное взаимодействие ), третий учитывает взаимодействия , связанные с одновременным сближением трех частиц , и т.д. Если давление газа не слишком велико , то играет роль только второй член ряда , т.е . второй вириальный коэффициент , так как и вероятность встречи (столкновения ) трех частиц (тем более четырех и больше ) может стать заметной только при больших плотностях газа . Точное вычисление второго вириального коэффициента может быть произведено т олько с учетом строения атомов и квантовых законов. При определенных приближениях уравнение (*) переходит в уравнение Ван-дер-Ваальса. При самых низких температурах только два вещества – водород и гелий – могут находиться в газообразном состоянии с заметны м давлением . все прочие газы при значительно более высоких температурах твердеют , а упругости их паров становятся ничтожно малыми . Но в обоих "низкотемпературных " газах обнаруживаются заметные квантовые эффекты .[2] 1.2 Жидкости при низких температурах Область существования жидкого состояния ограничена критической точкой со стороны высоких и точкой отвердевания со стороны низких температур (последняя зависит от давления ). Изменения свойств жидкостей при переходе к низким температурам (близким к точке отвердевания ) сводятся к росту коэффициента поверхностного натяжения и к сильному увеличению коэффициента внутреннего трения . У некоторых веществ рост вязкости приводит даже к тому , что жидкость приобретает некоторые признаки твердого т е ла и прежде всего способность сохранять не только объем , но и форму. Как уже упоминалось , при самых низких температурах наблюдаются некоторые специфические квантовые явления , которые нельзя считать результатом постепенного изменения свойств вещества с пони жением температуры . Явления эти возникают скачком при вполне определенной температуре и не имеют аналогов при высоких температурах . Мы имеем в виду явление сверхпроводимости и сверхтекучести . Первое из них заключается в скачкообразном исчезновении электри ч еского сопротивления в металлах и наблюдается у довольно большого числа чистых металлов и сплавов . Второе относится одному-единственному в природе веществу – жидкому гелию .[2] 1.3 Получение низких температур Получение низких темпер атур , от 200 К и ниже , имеет огромное значение для лабораторных исследований свойств веществ и для некоторых промышленных целей . Температуру 195 К дает твердая углекислота , кипящий жидкий азот имеет температуру 78 К , кипящий водород 20 К , кипящий гелий 4, 1 9 К . При понижении давления над кипящей жидкостью каждая из этих температур может быть еще понижена . Наибольший интерес представляет получение сверхнизких температур , лежащих ниже температуры кипения гелия . Путем уменьшения давления над гелием можно дости г нуть температуры 0,72 К , но это уже предел для данного метода . Сверхнизкие температуры порядка 0,001 К можно получить , используя метод адиабатного размагничива ния . Этот метод основан на зависимости энтропии парамагнитной соли от напряженности магнитного поля , в которое помещен образец . TS -диаграмма такой соли при отсутствии магнитного поля и при его наложении показана на рисунке 1. При наложении магнитного поля парамагнитные ионы таких солей , как , например , хромокалиевые или железоаммониевые квасцы , ориентируются полем подобно тому , как ориентируются магнитные компасные стрелки в поле Земли . Так как энтропия есть мера неупорядоченности , то всякое упорядочение пр и водит к уменьшению энтропии . Поэтому энтропия при наличии достаточно большого магнитного поля , достигающего 10-15000 а /см , будет значительно меньше , чем в отсутствии поля , как это видно на рисунке 1. Если при некоторой достаточно низкой температуре , получ е нной в гелиевом испарителе , на образец наложить магнитное поле , то энтропия вследствие упорядочения спинов магнитных моментов электронов уменьшится , и этот процесс изобразится линией аб . При хорошем тепловом контакте соли и гелия процесс будет изотермическ им . Так как , то намагничивание происходит с выделением теплоты солью , которая передается гелию . Если теперь устранить тепловой контакт соли и гелия , создав т ем самым условие адиабатности , и выключить магнитное поле , то процесс пойдет по линии бв . Действительно , при адиабатном процессе энтропия не меняется . точке в , характеризующей конечное состояние процесса , соответствует очень низкая температура , порядка сот ых и тысячных долей градуса по абсолютной шкале . Если при наложении магнитного поля парамагнитные ионы получили параллельную ориентацию , т.е . произошло упорядочение , что вызвало понижение энтропии , то при снятии магнитного поля ионы опять ориентируются бе с порядочно , что дает увеличение энтропии ионов . Но поскольку общая энтропия соли при адиабатном процессе не меняется , то должна уменьшится энтропия , связанная с тепловыми колебаниями кристаллической решетки соли , что приводит к понижению температуры . Вслед с твие неполной адиабатности процесса бв конечное состояние соли будет характеризоваться не точкой в , а точкой г , лежащей несколько выше на кривой энтропии нулевого поля. Тепловой эффект адиабатного охлаждения весьма велик . Используя для адиабатного размагни чивания всего лишь несколько граммов квасцов , можно понизить температуру нескольких килограммов диамагнитного вещества с 1 К до сверхнизких температур порядка 10 -3 К. Используя рассмотренный принцип , Доунт построил периодически действующую магнитную холоди льную машину , работающую по циклу Карно и понижающую температуру с 1 К до 0,25 К . Используя более сложный процесс адиабатного размагничивания системы атомных ядер , обладающих магнитными моментами (ядерных спинов ), моно получить температуры порядка 10 -5 – 10 -6 К . Этот метод может дать еще большее понижение температуры до 10 -7 К. Большие трудности представляет измерение сверхнизких температур . Температуры от нескольких градусов абсолютной шкалы и выше можно измерять термометрами сопротивления и термопарами . С верхнизкие температуры обычно измеряются путем определения парамагнитной восприимчивости , зависящей от температуры .[4] Глава 2. Жидкий гелий Как только в распоряжении физиков появил ся жидкий гелий , они занялись изучением его свойств и сразу же столкнулись с тем , что он не похож ни на какую другую жидкость. У всех веществ есть особая точка называемая тройной . В ней граничат сразу 3 фазы : твердая , жидкая и газообразная , и их все три мо жно наблюдать одновременно . Так что если начать откачивать пары жидкости , то при достаточно малом притоке тепла ее температура начнет падать , и наконец вещество затвердеет . По-видимому , Камерлинг-Оннес ожидал , что это произойдет и с гелием , когда впервые в мире он стал откачивать пары полученной им новой жидкости . То , что предстало его взору , видит любой исследователь , работающий с жидким гелием . Первоначальное давление паров равно атмосферному , температура 4,2 К , и жидкость спокойно кипит , т.к . благодаря и злучению , к ней неизбежно подводится тепло . Видимо много мелких пузырьков , которые отрываются от стенок и всплывают вверх . Начинаем откачку . Кипение становится более интенсивным , так как теперь с паром уносится и та энергия , которая связана с теплоемкость ю жидкости . Вдруг при давлении ~40 мм рт.ст . (температура ~2,17 К ) кипение мгновенно прекращается , все пузырьки исчезают , и гелий становится совершенно прозрачным . Что-то произошло , но он остался жидким . Хорошо видна его свободная поверхность и мениск возл е стенки . Если качнуть прибор , то гелий начинает колебаться и не успокаивается очень долго . Продолжим откачку . Камерлин-Оннесу в первых опытах удалось добраться до температуры 1,4 К , через десять с лишним лет до 0,8 К , т.е . до температуры в семь раз ниже к ритической , но гелий все еще остался жидким . А ведь для водорода , например , тройная точка лежит при ~14 К , критическая при Т к » 33 К , различие всего лишь в два с небольшим раза . Сейчас ученые добрались уже до тысячных кельвина , и картина та же , и нет никаких сомнений , что вплоть до абсолютного нуля с парами гелия граничит жидкость . Значит , у гелия нет тройной точки . Это единственное вещество , обладающее таким свойством . Нарисуем фазовую диаграмму гелия , на которую мы уже можем нанести линию пар-жидкость (рис. 2) и поместить на ней особую точку , в которой прекратилось кипение при ~2,17 К. Итак , сразу два необычных явлени я видно буквально невооруженным глазом . Надо понять , почему гелий перестал кипеть и почему он не становится твердым . Объяснить , почему гелий не затвердевает , можно , если воспользоваться законом квантовой механики , называемым "принцип неопределенности ". Со г ласно этому закону , если область движения частицы ограничена , то ее импульс не может стать равным нулю , т.е . никогда не может быть достигнут абсолютный покой . Даже при Т =0 остается движение , по уже не тепловое , а квантовое . В атомах это движение электроно в на своих орбитах , в макроскопических телах – колебания атомов относительно друг друга , которые так и называются "нулевые колебания ". Выясним , какое отношение принцип неопределенности имеет к тому , что гелий не замерзает . Можно сказать , что конденсация вещ ества – это процесс ограничения области пространства , отводимой каждой из частиц . Значит , при конденсации должна увеличиваться кинетическая энергия атомов . Подсчитаем это увеличение для жидкого гелия : при Т =0, его плотность равна 0,145 г /см 3 , атомная масса 4. На один атом приходится объем см 3 . Значит , диаметр занимаемой атомом области A . А так как , то энергия нулевых колебаний атомов гелия имеет величину порядка Дж. Эта энергия в шкале температур соответствует 10 К . Для плавления твердых тел все равно , какая причина заставляет колебаться атомы – тепловое движение или законы квантовой механи ки . Потому-то жидкий гелий и не кристаллизуется : его охлаждение от температуры кипения до абсолютного нуля почти не изменяет кинетическую энергию . Это обстоятельство и послужило причиной того , что жидкий гелий стали называть квантовой жидкостью , подчеркив а я то громадное влияние , которое оказывают на его свойства законы микромира. У водорода энергия нулевых колебаний , еще выше , чем у гелия , но зато и взаимодействие молекул значительно сильнее , так что он уже кристаллизуется . Ну , а всех других веществ нулевые колебания вообще слабо сказываются на их фазовых превращениях. Твердый гелий получить все же удалось . В принципе это оказалось не очень сложным – нужно было только приложить к жидкому гелию давление ~30 атм ., и он кристаллизовался . Впервые такой экспериме нт осуществил Кеезом , долгое время работавшим вместе с Камерлинг-Оннесом и продолжившим его дело. Вернемся к диаграмме состояния гелия . Линия жидкость-пар на ней уже есть , теперь можно нанести и линию жидкость-твердое тело . И тут появляется еще одно интере сное обстоятельство – касательная к этой линии при Т =0 горизонтальна . Обычно давление , при котором происходит фазовый переход , растет с ростом температуры . Д авление насыщенного пара , где q – теплота испарения , приходящаяся на одну молекулу . Значит , чем больше q, тем быстрее падает до нуля при уменьшении температуры . Но для гелия не падает до нуля и мы неизбежно должны при дти к заключению , что для гелия при Т ® 0 теплота перехода тоже стремится к нулю . Только при этом условии q/T не будет бесконечно возрастать , а уменьшаться до нуля. Собственно , иного нельзя было и ожидать . Ведь если бы внутренняя энергия , например , твердого гелия при T=0 и P=P ф.п. была бы хоть чуть-чуть меньше , чем жидкого , то , согласно формуле Больцмана , было бы невозможно наблюдать их одновременно – число атом ов гелия в жидкой фазе было бы порядка , т.е . равно нулю. Отсутствие теплоты перехода было обнаружено давно , и не только по зависимости Р ф.п. (Т ), но прямыми ка лориметрическими измерениями . И уже начало казаться , что больше никаких сюрпризов ожидать не приходится . Выяснилось , что это не так , и квантовые свойства гелия , обеспечившие равенство нуля теплоты перехода , послужили причиной еще одного явления , разыгрыва ю щегося на границе жидкого и кристаллического гелия . Оказывается , что у кристалла гелия есть грани атомно-жидкие – это те грани , на которых атомы на поверхности расположены близко друг к другу . При росте кристалла эти грани остаются все время совершенно пл о скими . А другие грани , на которых атомы разнесены друг от друга на большое расстояние – шероховатые , и в их направлении кристалл растет очень быстро , но без всякой огранки . Скругленная форма ребер , так же как и для капель воды диктуется тем , что есть силы поверхностного притяжения , стремящиеся уменьшить площадь границы. Чем ближе температура к абсолютному нулю , тем быстрее могут расти кристаллы гелия , и скорость их роста ограничивается единственным фактором – инерцией , так как нет ни выделения , ни поглощени я тепла . А инерция связана с тем , что плотность твердого гелия выше , чем жидкого , поэтому передвижение границы сопровождается переносом вещества . Допустим , что на плоской границе раздела жидкий – твердый гелий появилась вмятина . Т.к . из-за нее площадь пов е рхности становится больше , то силы поверхностного натяжения будут стремиться выровнять границу . Но в тот момент , когда граница станет плоской движение не прекратиться , а будет продолжаться по инерции . Появится выпуклость , силы поверхностного натяжения ост а новят движение и повернут его вспять . Если трения мало , то такое колебательное движение будет продолжаться долго . Можно сделать такое общее утверждение : если упругая сила (в нашем случае поверхностное натяжение ), есть инерция и нет больших потерь энергии ( т.е . сильного трения ), то неизбежно возникновение колебаний после нарушения равновесия и такие колебания границы жидкость-кристалл гелий удалось наблюдать. Твердый гелий оказался очень интересным веществом , столь же не похожим на другие твердые тела , как ж идкий гелий – на другие жидкости , и за ним прочно закрепилось название : "квантовый кристалл ".[1] 2.1 Сверхтекучесть Разберемся , что происходит с гелием ниже 2,17 К , когда он перестает кипеть . Камерлинг-Оннес впервые указал , что при это й температуре свойства гелия имеют особенность . Получив жидкий гелий он занялся измерением его параметров , в первую очередь определением его плотности при разных температурах . Делалось то так . В жидкий гелий , находившийся в дьюаре , был погружен в стеклянн ы й сосуд – мензурка с известным объемом , к верху которого была подпаяна стеклянная трубка с определенным диаметром и нанесенными делениями (рис . 3). К этому сосуду была подпаяна тонкая металлическая трубка-капилляр , которая через крышу , герметично закрываю щ ую дьюар , выходила в комнату . Там она была подсоединена к другому сосуду заданного объема , в который напускался газообразный гелий . Его давление измерялось манометром . Полное количество гелия , содержащееся в измерительной системе , определялось до начала о п ыта с помощью формулы Менделеева – Клайперона. При охлаждении часть гелия конденсировалась в мензурке , и по положению мениска в капилляре можно было определить объем жидкости . По давлению в объеме , остававшемся при комнатной температуре , определялось количе ство гелия , не перешедшего в конденсаты . Ясно , что этих данных было достаточно для вычисления плотности жидкости . Откачивая пары гелия из дьюара , можно изменя ть температуру жидкости и измерить зависимость (Т ), приведенную на рис . 4. Максимум при К заинтриговал исследователей . Он явно указывал , на какое-то качественное изменение , происходящее в гелии при этой температуре . Дело в том , что любое нарушение монотон ности изменения физических величин от температуры , обязательно связано со скачкообразным изменением в структуре вещества фазовым переходом . Например , это может быть переход пар-жидкость , жидкость-твердое тело и т.п . При подобных переходах , называемых фазо в ыми переходами I рода , все свойства изменяются скачком : и плотность , и порядок в расположении атомов , и теплоемкость , и коэффициент теплового расширения… Но бывают фазовые переходы и другого типа , при которых , в отличии от первых , плотность , например , изме няется непрерывно , но на зависимости (Т ) проявляется излом . Такие перепады носят название фазовых переходов II рода. Итак , излом зависимости (Т ) свидетельствовал о наличии такого перехода , при котором бесконечно малое изменение какого-то количества приводит к новому качеству и ученым предстояло , в первую очередь , пр оверить действительно ли это переход II рода . Этой цели должны были послужить калориметрические измерения . Дело в том , что переходы первого рода – за единственным исключением квантового кристалла – сопровождаются поглощением или выделением тепла . При перех одах второго рода , когда одна фаза переходит в другую непрерывно , теплота перехода отсутствует. Собственно , даже независимо от этих соображений , надо было измерять тепловые свойства жидкого гелия , именно его теплоемкость , так как она характеризует тепловое движение . Эти измерения , выполненные впервые Кеезомом и Клузиусом , показали , что теплоты перехода ет , и чрезвычайно убедит е льно подтвердили присутствие аномалии – при К теплоемкость С резко возрастала (рис . 5). По форме кривой С (Т ), напоминающей греческую букву , точка фазового перехода получила название -точки . Последующие измерения гели я под давлением показали , что пока существует жидкая фаза , в ней всегда наблюдается этот переход , так что надо говорить о -линии , которую мы нанесем теперь на диаграмму состояния жидкого гелия (см . рисунке 2). Эта линия разделяет область существования жидкого гелия на две , которые долгое время назывались гелий I и гелий II . То , что с теплопроводностью происходит что-то необычное , стало ясно в ходе опытов по изм ерению теплоемкости . Чтобы ее измерить , был собран такой прибор : два медных сосуда были соединены между собой тонкой трубкой с диаметром 0,6 мм и длиной от ~20 до ~90 см (в разных опытах ) из материала с плохой теплопроводностью . Сосуды заполнялись жидким г елием , так что столбик жидкости в трубке служил средой , передающей тепло . В одном из блоков помещался нагреватель , и в обоих термометры . Создавалось впечатление , что тепло даже по этому длинному и тонкому столбику из гелия II передается практически без соп ротивления , и заметной разности температур не наблюдается . А это может быть лишь при очень большом коэффициенте теплопроводности , в сони раз превосходящем его для меди . А вот у гелия I теплопроводность низкая , примерно как у газов при обычных температурах . Поэтому при переходе через -точку скачком меняет ее – по измерениям , проведенным Кеезомом вместе со своей дочерью , по крайне мере в 3 . 10 6 раз . Этот результат объясняет , почему в гелии II не видно пузырьков газа. Но в чем причина высокой теплопроводности . Может быть все дело в конвекции ? Но конвекция тоже не приводит к мгновенной передаче тепла , тем более по узким длинным капиллярам , в которых она обычно вообще не возникает . Ведь при конвекции надо привести в движение и нертные массы вещества и все время поддерживать это движение , стремящееся затухать из-за внутреннего трения , мерой которого служит вязкость. Капица стал измерять вязкость методом перетекания . В результате этих экспериментов вязкость гелия II оказалась чрез вычайно мала – по крайней мере , в десятки тысяч раз меньше , чем для любой другой среды . Это был пока что качественный результат , но Капица понял , насколько он важен , и сообщил о нем , назвав обнаруженное явление сверхтекучестью , выдвинув очень смелую гипот е зу , что вязкость не просто мала , а полностью отсутствует. В жидкости или твердом теле возбуждаются тепловые акустические колебания , называемые фононами . Их число и энергия подчиняется тем же законам , что и фотоны в черном теле . Чем ниже температура , тем ме ньше фононов . И тем больше характерные длины волн . Так , в жидком гелии при Т =1 К см , т.е . действительно тепловое движение – это согласованное движение большого количества атомов. Понятие того , что нагревание жидкости сопровождается увеличением числа фононов , позволило объяснить почему гелий может течь без трения. Итак , гелий II состоит как бы из двух частей , пронизывающих друг друга . Одна часть – это система фононов , обладающих всеми свойствами обычной вязкой жидкости увлекаемой движущейся стенкой и имеющей плотность . Эту часть жидкости называют также нормальной компонентой . А остальная часть , плотность которой , это сверхт екучая компонента , не взаимодействующая со стенкой , т.е . имеющая нулевую вязкость . Ясно , что при плотность тоже уменьшается до нуля , так как фононы – это результат теплового движения . Наоборот при увеличении температуры число фононов , а с ними и возрастает , и когда становится равным , происходит фазовый переход – сверхтекучесть исчезает. Говоря о сверхтекучести нельзя не упомянуть о течении пленки жидкого гелия . Хотя стенка гелия имеет микроскопическую толщину , но ведь гелий II сверхтекуч . Поэтому , пере нос жидкости по ней происходит довольно быстро . Например , наполненная гелием II пробирка опорожняется за несколько минут . Это перетекание гелия по пленке необходимо часто учитывать . Ведь течение сверхтекучего гелия происходит не только под действием гравит ации . Вспомним о термомеханическом эффекте . Если есть разность температур , то гелий потечет по пленке туда , где теплее . Но в любом криостате температура снизу вверх изменяется от самой низкой до комнатной . И гелий течет вдоль стенки снизу до того места , г д е . Здесь он быстро испаряется – ведь при давление насыщенн ых паров высоко . Это пар частично откачивается насосом , частично конденсируется на свободной поверхности гелия . А при конденсации выделяется тепло . Другими словами , как только наступает сверхтекучесть , так сразу же ухудшается качество криостата : возрастае т теплоподвод к жидкости . Это очень непрятное обстоятельство не позволяет понизить температуру гелия откачкой его паров существенно ниже ~1 К . Ценой значительного усложнения прибора , помещая один гелиевый дьюар в другой , тоже заполненный гелием , удалось до б раться до ~0,8 К . И это предел . А не будь течения по пленке , можно было бы простой откачкой достичь и 0,5 К .[1] 2.2 Гелий-3 Раньше мы писали просто "гелий ", не обращая внимания на то , что атомы гелия бывают разные : есть несколько и зотопов с зарядом ядра Z=2. Из них для физики низких температур важны два , и оба стабильные : гелий с массовым числом 3, обозначаемый 3 Не , и с массовым числом 4, т.е . 4 Не , о котором выше и шла речь и который и впредь мы будем , как правило , называть по-прежн ему просто гелий. 3 Не кипит при 3,69 К , при 1,2 К давление его паров ~20 мм рт .ст . Поэтому в приборе вида "дьюар в дьюаре ", показанном на рис . 6, 3 Не , попав в трубку , стенка которой имеет температуру ~1,2 К , станет жидким и сольется вниз . Теперь , если мы начнем откачивать его пары , то он , испаряясь , начнет охлаждаться и будет охлажд ать все , что находиться с ним в тепловом контакте. Жидкий 3 Не менее плотен , чем жидкий 4 Не : 0,08 г /см 3 по сравнению с 0,145 г /см 3 . Кипит он при более низкой температуре , и теплота испарения у него много меньше . Жидкий 3 Не – еще одна квантовая жидкость , и н е удивительно , что она не затвердевает вплоть до Т =0. Чтобы получить твердый 3 Не , его нужно , как и 4 Не , подвергнуть давлению . Теплота плавления 3 Не – отрицательна . Второе удивительное свойство 3 Не – он не становится сверхтекучим до очень низких температур ~10-3 К . У атомов 3 Не , даже при температуре Т =0 К , из-за действия принципа Паули остается кинетическая энергия , превышающая энергию нулевых колебаний на ~10 К , т . е . "фононы " просто не "остывают " до той температуры , при которой могла бы начаться сверхте кучесть. А ведь отсутствие сверхтекучести , оказывается , очень полезное свойство . Когда мы говорили о понижении температуры откачкой паров гелия , то выяснили , что сверхтекучая пленка мешает получить К . А у 3 Не такой пленки нет . Поэтому , откачивая его пары , можно добраться уже до ~0,3 К – большой прогресс ! Но когда физики изучили , что происходит , если смешать 3 Не и 4 Не , то они нашли способ понизить температуру е ще ниже – всего до нескольких тысячных кельвина. Зачем понадобилось смешивать эти изотопы ? Одно из очевидных соображений : чистый 4 Не сверхтекуч , а п ри тех же температурах 3 Не – нет . Стали составлять смеси разного состава из этих изотопов и смотреть , что же получится , а заодно исследовать их физические свойства . И тут возник вопрос номер один : а будут ли вообще смешиваться эти жидкости ? Ответ мог дать только эксперимент , и оказалось , что и здесь результат получился неожиданным . Если температура выше ~0,8 К , то при любом соотношении смешиваемых частей оба гелия образуют однородный раствор . Но , если температура становится ниже , то можно приготовить либо с лабый раствор 3 Не в 4 Не , либо слабый раствор 4 Не в 3 Не . Предельная концентрация зависит от температуры. Чтобы показать эту зависимость , построим диаграмму , подобную диаграмме фазового состояния (рис . 7). По оси абсцисс будем откладывать х – относительную к онцентрацию 3 Не в 4 Не . Очевидно , х может меняться лишь в пределах от 0 до 1, значит , поле диаграммы ограничено . А по оси ординат будет отложена температура . Нанесем теперь слева линию , отвечающую предельной концентрации 3 Не в 4 Не , а справа – обратному случ аю . Эти линии сходятся только в одной точке при К . На диаграмме получился "колокол ", ограничивающий область концентраций и температур , при которых не может с уществовать однородный раствор 3 Не и 4 Не. Что же будет , если мы , например , смешаем равные объемы газообразных 3 Не и 4 Не , а потом охладим эту смесь до температуры , скажем , 0,5 К ? Мы видим , что точка с такими координатами попадает внутрь "колокола ". И тогда появится две разные жидкости . Одна – почти чистый 3 Не , в котором всего ~ 10% 4 Не , другая – 4 Не с ~ 20% примеси 3 Не . первая смесь имеет меньшую плотность , и она всплывает . Происходит расслоение , совсем как в смеси бензин – вода , и границу между жидкостями можно отчетливо увидеть (рис . 8 7.4). А как же насчет сверхтекучести ? Оказывается , тяжелая фракция – сверхтекуча , легкая – нет . А там , где расслоение прекращается , можно провести -линию , разделяющую области , где есть и где нет сверхтекучести . конечно же , при х =0 она упирается в ось ординат в точке . А примесь 3 Не мешает сверхтекучести – она приводит к понижению температуры перехода. У этих растворов есть замечательное свойство . Оказалось , что при макси мальная возможная концентрация 3 Не в 4 Не не падает до нуля , а остается равной ~6,5%. Это позволило создать очень эффективную холодильную машину , называемую криостат растворения , с помощь которой удается получать температуры ниже 10 -2 К. [3] За ключение Низкие температуры очень важны в нашей жизни . Окружающий нас космос – это природный гигантский холодильник , не дающий нам сгореть от палящих лучей солнца . Но и созданный человеком рукотворный холод нашел не мало применений : это и пол учение кислорода для современной металлургии , и громадные сверхпроводящие магниты , предназначенные приблизить осуществление управляемого термоядерного синтеза , и целая отрасль медицины – криохирургия , и наиболее чувствительные приборы для обнаружения ради о сигналов и измерения магнитных полей , это в перспективе создание машин нового поколения и многое , многое другое. В результате изучения материалов по рассматриваемому вопросу , были сделаны следующие основные выводы : 1. Вещества при изменении температуры ме няют свои свойства . При понижении температуры большинство веществ меняют фазовое состояние . При самых низких температурах только два вещества – водород и гелий – могут находиться в газообразном состоянии с заметным давлением , все прочие газы при значитель н о более высоких температурах твердеют , а упругости их паров становятся ничтожно малыми. 2. Получение низких температур , от 200 К и ниже , имеет огромное значение для лабораторных исследований свойств веществ и для некоторых промышленных целей , о которых мы говорили выше. Основными методами получения очень низких температур является магнитный способ и метод с применением жидкого гелия. 3. У всех веществ есть особая точка называемая тройной . В ней граничат сразу 3 фазы : твердая , жидкая и газообразная , и их в се три можно наблюдать одновременно . Как выяснил в своих исследованиях Камерлинг-Оннес , у гелия нет тройной точки . Это единственное вещество , обладающее таким свойством. 4. Капица , измеряя вязкость методом перетекания , выяснил , что вязкость гелия II чрезв ычайно мала . Он назвал обнаруженное явление сверхтекучестью . Сверхтекучесть – чисто квантовое явление , а жидкий гелий является единственной квантовой жидкостью , в то время как другие жидкости отвердевают при значительно более высоких температурах , при кот о рых описываемый квантовый эффект еще не проявляется. Список использованной литературы 1. В.С . Эдельман . Вблизи абсолютного нуля . Москва , 1983г. 2. А.К . Кикоин , И.К . Кикоин. Молекулярная физика . Москва , 1976 г. 3. Д.В . Сивухин . Термодинамика и молекулярная физика . Москва , 1990 г. 4. Р.В . Телеснин . Молекулярная физика . Москва , 1973г. 5. Академик П.Л . Капица . Свойства жидкого гелия .1987г. 6. Физический энциклопедический словарь . Москва , 1984г.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Я не могу спокойно смотреть на страдания окружающих. Пойду возьму поп-корн.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, курсовая по физике "Свойства веществ при низких температурах. Жидкий гелий", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru