3.2. Явление сверхтекучести

Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий, который при понижении температуры испытывает фазовый переход второго рода, превращаясь в сверхтекучую модификацию гелия– НеII. Причем в него превращается не весь гелий, а только часть, т.е. при температуре ниже перехода (Т = 2.17 К) гелий можно представить себе состоящим из двух компонент – нормальный, свойства которого аналогичны свойствам гелия до перехода (Не I) и сверхтекучей, вязкость которой чрезвычайно мала (меньше 0.1). Компоненты могут двигаться независимо друг от друга, причем движение сверхтекучей компоненты не связано с переносом тепла (ее энтропия равна нулю). Низкая вязкость гелия позволяет использовать его в качестве смазки, например в подшипниках.

Свойство сверхтекучей компоненты легко проникать в малейшую щель делает Не II удобным для поиска течей: погружение в Не II – самая строгая проверка герметичности. Малая ширина переходапозволяет использовать его как опорную точку при измерении температуры.

Благодаря встречному конвективному движению двух компонент теплопередача в Не II происходит без переноса массы, в результате чего теплопроводность Не II чрезвычайно высока. Проявляется это, например, в прекращении кипения после перехода (теплопроводность настолько высока, что пузырьки газа образоваться не могут и испарение происходит с поверхности). Благодаря сверхвысокой теплопроводности Не II используется как хладагент.

Термомеханический эффект. Если нагреть Не II в одном из сосудов, сообщающихся между собой через тонкий капилляр или пористую перегородку, то в нем за счет перехода понизится концентрация сверхтекучей компоненты, которая, стремясь к установлению равновесия, будет по капилляру поступать из ненагретого сосуда, а нормальная компонента из нагретого выходить не будет. Соотвественно, уровень гелия в нагреваемом сосуде увеличится.

Появление в сверхтекучей жидкости разности давлений, обусловленной разностью температур, называется термомеханическим эффектом [1]. Он проявляется в разности уровней жидкости в двух сосудах, сообщающихся через узкую щель или капилляр и находящихся при разных температурах. Другой способ демонстрации заключается в нагреве излучением трубки, набитой мелким черным порошком и опущенной одним концом в сверхтекучий гелий. При освещении светом порошок быстро нагревается, и из-за возникающей разности давлений в сосуде и вне его жидкий гелий фонтаном выбрасывается из верхнего конца капилляра.

Эффект может быть использован для создания своеобразных насосов Не II.

Обратный эффект – охлаждение сверхтекучего гелия при продавливании его через узкое щели или капилляры назыется механокалорическим эффектом.

То есть если повысить давление в одном из сосудов, рассматриваемых в предыдущем случае, то сквозь капилляр будет протекать только сверхтекучая компонента гелия.

Сверхтекучая компонента не уносит теплоту из сосуда, из которого вытекает, вследствие чего температура внутри этого сосуда повышается. Температура же сосуда, в который притекает сверхтекучая компонента, будет уменьшаться.

Поскольку тонкую пленку можно рассматривать как капилляр, то при переносе гелия на пленке имеет местотермохимический эффект, который можно усилить, увеличив периметр тела, соединяющего два сосуда, например, вставив пучок проволок. Эффект нашел применение для разделения изотопов гелия Не-3 и Не-4. Не-3 не сверхтекучий, и по пленке сосуда, содержащего смесь изотопов удаляется сам собой только изотоп Не-4. Термохимический эффект можно остановить, если поместить пленку между обкладками конденсатора, на который подано напряжение с частотой 40-50 Гц.

Эффект Томса. Известно, что сопротивление, оказываемое трубопроводом потоку жидкости при ламинарном режиме течения меньше, чем при турбулентном. В 1948 году Б. Томс (Англия) установил, что при использовании полимерной добавки трение в воде между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается.

Практическое применение эффекта Томса весьма разнообразно: по традиции "смазывают" различными присадками трубопроводы, "смазывают" полимерами морские и речные суда, напорные колонны глубоких скважин и т.д.