specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Inżynieria Mechaniczno – Medyczna
Techniki niskotemperaturowe w medycynie
SPECYFICZNE WŁASNOŚCI HELU W
TEMPERATURACH KRIOGENICZNYCH
Opracowała:
Eliza Bisewska
Spis treści
1. WSTĘP ..................................................................................................... 2
2. IZOTOPY HELU ........................................................................................ 2
3. ZJAWISKO MECHANOKALORYCZNE ........................................................ 4
4. NADPŁYNNOŚĆ ....................................................................................... 4
5. DWUPŁYNOWY MODEL TISZY. FONTANNA HELOWA ............................ 5
6. ROZCIEŃCZANIE 3He W 4He ................................................................... 5
7. EFEKT POMERAŃCZUKA ......................................................................... 6
8. ZASTOSOWANIE CIEKŁEGO HELU ............................................................ 7
9. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................... 8
1
1. WSTĘP
Kriogenika jest dziedziną nauki badającą i wykorzystującą specyficzne własności ciał w bardzo
niskich temperaturach. Przedział temperatur kriogenicznych nie jest ściśle określony, przyjmuje się
jednak jako temperatury poniżej 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem
normalnym.
W 1908 roku Heike Kamerlingh - Onnes po raz pierwszy skroplił hel wykorzystując proces
izentalpowego dławienia poprzedzony schłodzeniem sprężonego helu. Uzyskał w ten sposób
najniższą wówczas temperaturę na świecie, równą 4,2 K [2,10].
2. IZOTOPY HELU
W przyrodzie występują dwa stałe izotopy helu: 4He oraz 3He. Bardziej rozpowszechniony jest
izotop 4He, podczas gdy 3He spotykamy w śladowych ilościach. Oba izotopy przechodzą w stan
nadciekłości, odbywa się to jednak w odmiennych temperaturach: dla 4He jest to temperatura 2,18
K, dla 3He wynosi ona zaledwie 0,003 K. Różnica ta wynika z odmiennych własności kwantowych.
Wykresy fazowe izotopów zostały przedstawione na rysunkach 1 i 2. Charakterystyczne dla wykresów
jest brak punktu potrójnego, zatem trzy fazy nie mogą współistnieć. Gaz nie zestala się nawet przy
temperaturach zbliżonych do temperatury zera bezwzględnego przy ciśnieniu poniżej 2,5 MPa. Dzieje
się tak ze względu na słabe oddziaływania molekularne oraz małą masę atomów. Linia przejścia λ na
wykresie oddziela dwie postacie ciekłego helu [1,4]:
 hel I – ciecz normalna, posiadająca lepkość, charakteryzująca się niewielką przewodnością
cieplną;
 hel II – postać nadciekła, charakteryzująca się znikomą lepkością oraz bardzo dużą
przewodnością cieplną – ok. 1000 razy większą od przewodności miedzi beztlenowej (dla tej
samej temperatury).
Rys. 1 Wykres fazowy izotopu 4He [2].
Rys. 2 Wykres fazowy izotopu 3He [2].
2
W temperaturze przejścia helu w stan nadciekłości (T=2,18K) ciepło właściwe wykazuje ostre
maksimum [2].
Na rysunku 3 przedstawiono wykres zależności ciepła właściwego helu od
temperatury.
Rys. 3 Wykres zależności ciepła właściwego w temperaturze w pobliżu 2K [2].
Ciekły hel cechuje najniższa temperatura wrzenia spośród wszystkich substancji (4,2K).
Obniżanie ciśnienia ciekłego helu skutkuje spadkiem jego temperatury. Różnica temperatur
powoduje wrzenie cieczy jedynie do pewnego momentu – osiągnięcia przez ciecz temperatury
poniżej 2,18 K. Gwałtowne ustanie wrzenia wiąże się z przemianą fazową drugiego rodzaju i
przejściem w stan nadciekły [5]. Zjawisko obrazuje rysunek 4. W tabeli 1 zestawiono najbardziej
charakterystyczne punkty występujące na wykresach fazowych izotopów 3He oraz 4He.
Rys. 4 Poniżej temp. 2,18 K gwałtownie wrzący ciekły hel (rysunek po lewej) nagle się uspokaja (rysunek po prawej) [5].
Tab. 1 Najbardziej charakterystyczne punkty na wykresach fazowych izotopów helu [1].
4He
Charakterystyczne punkty
3He
T [K]
P [MPa]
T[K]
P [MPa]
Punkt krytyczny
5,2
0,2275
3,32
0,1165
Punkt wrzenia pod ciśnieniem
normalnym
4,2
0,1013
3,191
0,1013
2,172
0,005
0,003
-
Punkt λ dolny
3
3. ZJAWISKO MECHANOKALORYCZNE
Zjawiskiem występującym w helu nadciekłym, a więc w temperaturze poniżej 2,18 K jest tzw.
zjawisko mechanokaloryczne. Ciecz, przepływając przez przegrodę zbudowaną z wąskich
kanalików, obniża swoją temperaturę w części naczynia do którego wpływa, natomiast w części
naczynia, z którego ciecz wypływa następuje wzrost temperatury. Kierunek przepływ ciepła w
naczyniu posiada więc zwrot przeciwny do kierunku przepływu cieczy [7]. Zjawisko ilustruje
rysunek 5.
Rys. 5 Schemat efektu mechanokalorycznego [11].
4. NADPŁYNNOŚĆ
Kolejną niezwykłą cechą helu w temperaturach poniżej 2,18 K jest nadpłynność. Jest to
stan materii charakteryzujący się znikomą lepkością. Dwa naczynia z helem II spontanicznie dążą
do wyrównania swoich poziomów cieczy wraz z upływem czasu (rysunek 6). Dzieje się tak na
skutek wspinania po ściankach naczyń cieniutkiej warstewki helu o grubości 300 nm. Innym
przejawem nadpłynności jest przepływ helu II przez bardzo małe otwory i ubite proszki
praktycznie bez tarcia. Dla porównania lepkość ciekłego helu II przepływającego przez małe
otwory jest równa 1/100 000 lepkości gazowego wodoru [3,6].
Rys. 6 Nadpłynność helu [3].
4
5. DWUPŁYNOWY MODEL TISZY. FONTANNA HELOWA
Próbę wytłumaczenia zjawiska nadciekłości podjął węgierski uczony Laszlo Tisza. Przedstawił
on hel II jako mieszaninę dwóch płynów: składowej normalnej oraz składowej nadciekłej.
Składowa nadciekła poza lepkością praktycznie równą zeru, posiada także zerową entropię.
Składowa normalna obdarzona jest zarówno lepkością, jak i entropią. Teoria dwupłynowej cieczy
przewiduje także tzw. drugi dźwięk – zmiany temperatury ciekłego helu II rozchodzą się jak fala.
Prędkość fali osiąga maksimum w temp. 1,7K i wynosi ok. 20,46 m/s. Model ten pozwala też
zrozumieć mechanizm efektu fontannowego, zachodzącego w butelce z nadciekłym helem, od
dołu zamkniętego porowatą zatyczką oraz umieszczonej w większym pojemniku z ciekłym helem.
Dostarczenie porcji ciepła do butelki, np. przez zastosowanie grzałki jak na rysunku 7, spowoduje
zamianę składowej nadciekłej w składową normalną. Niedomiar składowej nadciekłej w butelce
wymusi jej napływ przez pory zatyczki z większego pojemnika z helem. Do butelki napływa
jedynie składowa nadciekła, gdyż tylko ona pozbawiona jest lepkości. W efekcie, w mniejszym
naczyniu powstanie nadciśnienie, które „wypchnie” ciecz helu przez szyjkę butelki w sposób
przypominający fontannę. Efekt ten wykorzystywany jest w pompach nadciekłego helu [1,4,5,12].
Rys. 7 Ilustracja oraz schemat efektu fontannowego [5,8].
6. ROZCIEŃCZANIE 3He W 4He
Czynnikiem roboczym wykorzystywanym w chłodziarkach rozcieńczalnikowych jest
mieszanina izotopów 3He oraz 4He. Roztwór ten rozdziela się spontanicznie po osiągnięciu
temperatury poniżej 0,872 K na dwie fazy: fazę bogatą w 3He oraz fazę ubogą w 3He (bogatą w
4He), będącą w stanie nadciekłym. Dalsze obniżanie temperatury mieszaniny powoduje, że faza
5
bogata w 3He dodatkowo wzbogaci się w ten izotop, natomiast w fazie nadciekłej wzrośnie
koncentracja 4He. Przykładowo, w temperaturze 0,1 K w fazie nadciekłej stężenie 3He wynosi ok.
7%, w fazie bogatej ok. 99,97%. Rozcieńczanie 3He w 4He przypomina rozprężanie 3He w próżni,
gdyż entropia 4He w temperaturze poniżej 1K jest praktycznie zerowa. Proces rozdzielenia faz
przedstawia rysunek 8 [1,9].
Rys. 8
Wykres fazowy mieszaniny 3He - 4He [9]. Punkt 1 –stan początkowy mieszaniny; 1 - 2 : spadek temperatury
poniżej 0,872 K powoduje rozdział faz na: fazę ubogą w 3He (2’) oraz fazę bogatą w 3He (2’’); 2’’ - 3’ : wzrost
koncentracji 3He w wyniku dalszego oziębiania roztworu; 2’ – 3: spadek stężenia 3He w fazie nadciekłej.
7. EFEKT POMERAŃCZUKA
Efekt Pomerańczuka polega na adiabatycznym, częściowym zestaleniu 3He wzdłuż linii
topnienia. Wzrost ciśnienia zgodnie z tą linią skutkuje obniżeniem temperatury. Sumaryczna
entropia fazy ciekłej i stałej pozostaje stała. Charakterystyczny przebieg linii topnienia
przedstawia rysunek 9. Uzyskanie końcowej temperatury 3 mK z temperatury początkowej 25 mK
wiąże się z zestaleniem 20 % początkowej ilości helu. Efekt Pomerańczuka znajduje zastosowanie
w budowie chłodziarek uzyskujących bardzo niskie temperatury rzędu 1-2 mK. Niezbędne jest
jednak wcześniejsze oziębienie ciekłego 3He do temperatury poniżej 320 mK (minimum krzywej
topnienia) np. wykorzystując chłodziarkę rozcieńczalnikową [1,3].
6
ciało stałe
ciecz
Rys. 9 Linia topnienia 3He w temperaturach kriogenicznych [3].
8. ZASTOSOWANIE CIEKŁEGO HELU
Ciekły hel ze względu na swoje specyficzne własności znajduje zastosowanie m.in. do [1]:
 kriostatowania nadprzewodników np. w detektorach NMR;
 kriostatowanie magnesów w technice diagnostycznej MRI;
 kriostatowanie wnęk rezonansowych np. w akceleratorach cząstek;
 płukania instalacji wykorzystujących ciekły wodór;
 chłodzenia wiązki światłowodowej w produkcji światłowodów;
 uzyskiwanie temperatur poniżej 1K.
7
9. BIBLIOGRAFIA
[1] Chorowski M., KRIOGENIKA. Podstawy i zastosowania
[2] Turski Ł. A., „Zimno i tłoczno”, Wiedza i Życie nr 7/1997
[3] Chalmers University of Technology, wykład 11: Helium 4, wykład 16: Refrigeration below 1K
[4] Szwabiński J., 95 lat ciekłego helu, mat. wykładowe
[5] Okopińska A., Własności materii w niskich temperaturach, Instytut Fizyki UJK, mat. wykładowe
[6] SGSP, Materiały wykładowe
[7] Encyklopedia PWN
[8] Wikipedia, Superfluid Helium – 4
[9] www.portalnaukowy.edu.pl
[10] www.hvacr.pl/kriogenika-w-zastosowaniach-przemyslowych-medycznych-i-badawczych
[11] http://www.angelfire.com/scifi2/zpt/images/mechno.gif
[12] http://prola.aps.org/abstract/PR/v71/i9/p600_1
8