5.1. Гелий-4 , теплофизические свойства, диаграмма состояния

Теплофизические свойства : температура кипения при атмосферном давлении составляет 4,215 К, критическая температура – 5,2 К, температура инверсии  40 К, давление инверсии 3,0–1,5 МПа в интервале температур 20–10 К, теплота испарения 20,4 кДж/кг, теплоемкость изобарная – 5,2 кДж/(кгК), теплопроводность – 0,144 Вт/(мК) ( и  даны при нормальных условиях), плотность жидкости – 125  , плотность газа – 0,178 . Путем откачки паров над жидкостью можно обеспечить уровень криостатирования 1 К, дальнейшее понижение температуры ограничено возможностью вакуумнасосов из-за чрезвычайно низкой упругости паров гелия.

Наиболее характерными свойствами, которые определяют ожижение гелия, являются самая низкая среди всех газов температура ожижения, низкая плотность газа и жидкости, очень малая теплота испарения, высокая теплопроводность, большая теплоемкость и низкая температура инверсии.

В жидкой фазе гелий имеет уникальные свойства: отсутствует тройная точка (твердый гелий можно получить только при повышенном давлении, свыше 2,5 МПа), обладает сверхтекучестью, ламбда – переход при 2,172 К характеризует принципиальное изменение свойств жидкого гелия: теплоемкость в этой точке имеет разрыв и равна бесконечности (рис. 5.1), имеет резкий максимум плотности жидкости, резко возрастает теплопроводность. Этот переход сопровождается состоянием полной упорядочности в веществе, остающемся жидкостью. Жидкий гелий поэтому называют еще «квантовой жидкостью». Наблюдаются также другие тепловые эффекты и ползущая пленка жидкости, которая приводит к потерям, что необходимо иметь в виду при конструировании криогенного оборудования.

На рис. 5.2 приведена фазовая диаграмма гелия в координатах р-Т.

П

Рис. 5.1. Зависимость теплоемкости

от температуры для ⁴Не

ри температуре 2,172 К (так называемая -точка) в жидком , находящемся под давлением насыщенных паров (5039,6 Па), происходит фазовый переход второго рода.

Гелий выше этой температуры называется гелием-I (Не-I), ниже ее – гелием-II (Не-II), или сверхтекучем гелием. Свойство сверхтекучести Не-II было открыто П. Л. Капицей в 1937 г. и заключается в том, что Не-II при протекании через узкий капилляр или щель (размер которых достигает 0,5 мкм) характеризуется практически полным отсутствием вязкости.

Т емпература -перехода с ростом давления перемещается в сторону более низких температур. Температуре 1,7633 К соответствует давление р = 2,974 МПа (рис. 5.2).

В

Рис. 5.2. Фазовая диаграмма для ⁴Не

изуально -переход выглядит следующим образом. При откачке паров гелия из криостата жидкость кипит во всем объеме, оставаясь в значительной мере «светлой», и ее температура постепенно снижается. По мере охлаждения интенсивность кипения уменьшается, о чем можно судить по снижению интенсивности образования пузырьков. Это происходит из-за уменьшения теплоемкости жидкости: чем меньше теплоемкость, тем меньше надо отвести теплоты при охлаждении и тем меньше испаряется жидкости. При достижении температуры Т = 2,172 К жидкость резко вскипает, во всем объеме образуется множество пузырьков, и объем с жидкостью на короткое время становиться малопрозрачным. Затем интенсивность образования пузырьков быстро уменьшается. Вскоре видимое кипение прекращается, и жидкость становится идеально спокойной (фаза Не-II).

Гелий – единственное вещество, не затвердевающее при давлении р = 0,1 МПа вплоть до температуры абсолютного нуля. Это связано с квантовой природой жидкого гелия при низких температурах. Атомы гелия обладают большой нулевой энергией и слабым взаимодействием. В результате нулевая энергия оказывается достаточной для того, чтобы воспрепятствовать кристаллизации. Только при давлении выше 2,5 МПа гелий может кристаллизоваться. Твердый гелий существует в трех кристаллических модификациях, определяемых температурой и давлением: -фаза – объемноцентрированная кубическая решетка, -фаза – гексагональная упаковка, -фаза – гранецентрированная кубическая решетка. Последняя фаза существует только при высоких давлениях (более 110 МПа).