5.3. Тепловые эффекты в Не-II
Выделяют следующие тепловые эффекты в сверхтекучем Не-II:
механокалорический эффект;
термомеханический эффект (эффект фонтанирования);
эффект ползучей пленки.
Сущность
механокалорического эффекта заключается
в следующем. Если налить в сосуды 1 и 2
гелий Не-II,
то по капилляру к сосуду 2 будет перетекать
сверхпроводящая компонента. Нормальная
компонента остается в сосуде 1 (рис.
5.5). Температура оставшейся части гелия
несколько повышается. Это происходит
потому, что капилляр – «энтропийный
фильтр», т.е. через него проходит
преимущественно сверхтекучий компонент,
обладающий нулевой энергией (s
=0), а оставшаяся
в сосуде теплота распределяется на
меньшее количество гелия, отчего
температура повышается. Вследствие
этого
.
Термомеханический эффект заключается в следующем. Если в сосуды 1 и 2 налить Не-II, а затем подвести к сосуду 2 тепло (рис. 5.6). Вследствие этого в сосуде 2 сверхтекучая компонента переходит в нормальное состояние и ее концентрация уменьшается. Для выравнивания концентрации во втором сосуде сверхтекучий компонент из сосуда 1 перетекает в сосуд 2. Обратный поток невозможен из-за вязких сил в капилляре, поэтому в сосуде 2 уровень гелия повышается и появляется разность давлений между двумя сосудами. Этот принцип применяется для создания насосов, перекачивающих гелий Не-II.
полная обратимость процесса выразится как:
|
(5.4) |
,где
– термомеханическая разность давлений
между двумя сосудами, соответствующая
разности температур
;
– разность между энтропией жидкости,
втекающей в капилляр, и энтропией части
жидкости, заключенной между верхним и
нижним уровнями в сосуде 2.
Теплота
переноса
,
которую необходимо сообщить, чтобы
единица массы жидкого гелия перетекала
из сосуда 1 в сосуд 2, равна
|
(5.5) |
.
Поверхность
любого тела, соприкасающегося с жидким
Не-II,
покрывается толстой пленкой жидкости.
Сверхтекучая жидкость обладает
способностью распространяться посредством
этой пленки. Это наглядно продемонстрировано
на рис 5.7, на котором представлен эффект
ползучей пленки. Так, например, если
рассматривать криостат с жидким Не-II
при температуре ниже -точки,
от поверхности жидкости по стенкам
сосуда поднимается пленка толщиной
(ангстрем)
до уровня, где температура стенок равна
температуре -точки,
и здесь испаряется.
|
|
|
Рис. 5.5.
Механокалорический эффект |
Рис. 5.6.
Термомеханический эффект |
Рис. 5.7. Эффект
ползучей пленки |
Термоакустические колебания. В газообразном гелии, заполняющем трубку с открытыми концами, соединяющую область низких температур с областью более высоких температур, могут возникнуть продольные колебания. Энергия колебаний может быть весьма большой, и в области низких температур может передаваться значительное количество тепла. Механизм возникновения этих колебаний еще не вполне понят.
Колебания обычно возникают в узких трубах диаметром 1 см, вдоль которых существует большой градиент температур. Поэтому при конструировании низкотемпературного оборудования нужно стараться избегать создания условий, при которых могут возникнуть колебания, т.е. не должно быть узких, заполненных газом трубок, проходящих непосредственно из области комнатных температур в область низких температур. Можно предотвратить колебания, если предусмотреть какой-либо способ демпфирования (например, проволока, пропущенная внутри трубки).