Беседы о физике и технике

ПРИ ЭТИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ВОЗНИКАЕТ СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ГЕЛИЯ? ОБЪЯСНИТЕ ПОДРОБНЕЕ, ЧТО ЭТО ТАКОЕ.

Одним из замечательных свойств гелия II является его чрезвычайно высокая теплопроводность — намного выше меди и серебра — наиболее теплопроводных металлов. Это обстоятельство достоверно объясняет отсутствие пузырьков пара в гелии II при температурах ниже 2,17 К. Посмотрите на кипящую воду, и вы увидите движение пузырьков пара со дна сосуда. В кипящем сверхохлажденном гелии таких пузырьков нет.

Если теплопроводность жидкости очень высока, в ней невозможно создать разность температур на дне и у поверхности и испарение такой жидкости идет только с ее поверхности. Так и происходит в гелии II.

Исследуя причину такой высокой теплопроводности гелия II, П. Л. Капица установил, что причиной переноса тепловой энергии в нем является конвекция. Если это так, то тепловые потоки в гелии II должны распространяться с чрезвычайной легкостью. А это означает, что вязкость гелия II должна быть ничтожной (она оказалась меньшей, чем вязкость воды при комнатной температуре, в 10¹³ раз). Так, в 1937 г. академиком П.Л.Капицей было сделано фундаментальное открытие в области низких температур — явление, названное им сверхтекучестью.

А СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ СВЯЗАНА СО СВЕРХТЕКУЧЕСТЬЮ?

В 1912 г. Камерлинг-Оннесом было открыто явление сверхпроводимости металлов при температурах ниже Гкр гелия. Сверхпроводимость металлов была объяснена лишь в 1957 г.

После построения акад. Л.Д.Ландау (1908–1968) теории сверхтекучести (внешне явления сверхтекучести и сверхпроводимости очень похожи: и в том, и в другом случаях речь идет о потоке, на который трение не действует) сверхпроводимость можно было представить как сверхтекучесть электронного газа.

Усилиями многих отечественных и зарубежных ученых, в том числе акад. Н. Н. Боголюбова, предложившего новый метод в теории, природа сверхпроводимости полностью разъяснилась.

В 1962 г. Л.Д.Ландау за «пионерские теоретические работы по конденсированному состоянию, особенно жидкого гелия» была присуждена Нобелевская премия.

НАВЕРНОЕ, ДОСТИЖЕНИЕ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР — ЭТО САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА?

Итак, нам осталось выяснить, как в настоящее время осуществляется сжижение газа, в чем транспортируется такая жидкость и какое практическое техническое применение получила физика низких температур.

Как мы уже упоминали ранее, получить жидкий гелий можно в специальных машинах, работающих на эффекте Джоуля — Томсона с предварительным охлаждением гелия жидким водородом. Этот способ хотя внешне и прост, но не совсем удобен.

Если построить машину для получения жидкого воздуха (который в огромных количествах производит и потребляет промышленность), то нужно иметь фактически две машины: для водорода и для гелия, каждую со всем своим хозяйством — мощным компрессором, газовыми коммуникациями, хранилищем газов, средствами очистки газов от примесей. Кроме того, употребляемый в установке водород крайне опасен: при утечке из системы он, смешавшись с воздухом, образует гремучую смесь. Современные машины для сжижения газов работают без водорода. Для этого в компрессоре 1 (рис. 15) гелий предварительно сжимается, затем остывает (ведь при сжатии он нагревается) и направляется в цилиндр 3, где он, как пар в паровой машине, перемещает поршень. Это устройство в холодильной технике носит название детандера. Газ, расширяясь в детандере, охлаждается. Расчеты показывают: чтобы получить температуру 10 К, газ нужно предварительно сжать компрессором до 500 МПа (5 тыс. атм).

Рис. 15. Схема замкнутого цикла для охлаждения газа расширением в детандере:

_{1 — компрессор; 2 — охлаждение прямого потока до комнатной температуры; 3 — теплообменник; 4 — детандер}

Даже если мы хотим получить температуру, достаточную для сжижения воздуха (Т_кр = 132 К), то и тогда необходимо создать компрессором давление в сотни атмосфер, что для гелия не так просто. Для того чтобы уменьшить рабочее давление, в систему между компрессором и детандером вводят теплообменник 2 (схема машины приведена на рис. 15). Газ, поступая в детандер, охлаждается обратным потоком гелия, уже успевшего расшириться и охладиться. Поэтому процесс расширения начинается при более низкой температуре, а значит, и исходное давление может быть значительно меньшим.

Необходимо заметить, что в лабораториях и на заводах имеются машины, вырабатывающие сотни литров жидкости в час, но есть и очень маленькие, которые размещаются и работают на борту искусственных спутников и космических кораблей.

Стоимость литра сжиженного гелия исчисляется десятками копеек, что делает его доступным для любых физических лабораторий и промышленных предприятий.

Тот же эффект охлаждения за счет совершаемой газом внешней работы при адиабатном расширении был использован П. Л. Капицей в машине нового типа, предложенной им в 1935 г. для сжижения воздуха с целью промышленного получения кислорода. В этой машине газ совершал внешнюю работу, приводя во вращение высокоэффективную турбину (турбодетандер). В ней воздух предварительно сжимался в турбокомпрессоре всего до 0,4–0,5 МПа (4–5 атм), в то время как в поршневых машинах давление создавалось от 7 до 19 МПа.

Таким образом, в технике получения низких температур стал использоваться только цикл низкого давления, а это позволило стране сэкономить сотни миллионов рублей. Разработанный П. Л. Капицей турбодетандер с КПД 80–85 % предопределил развитие во всем мире современных крупных промышленных установок разделения воздуха для получения жидкого кислорода.

ИТАК, ЖИДКИЙ ГАЗ ПОЛУЧЕН И ВОЗНИКАЮТ ПРОБЛЕМЫ ЕГО ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ?

Задача хранения и транспортировки жидкого гелия также не является простой — ведь разность температур между комнатной и жидкостью составляет почти 300 К!

Оказалось, что ни сосуд Дьюара, ни какой-либо другой с пористой изоляцией непригодны, так как они не в состоянии создать необходимой преграды для теплообмена между гелием и окружающей средой.

Наиболее употребительными оказались металлические сосуды — криостаты. Как они устроены, видно из рис. 16.

Рис. 16. Схема устройства сосуда для хранения и транспортировки жидкого гелия:

_{1 — трубка для выхода испаряющегося гелия; 2 — отверстие для переливания жидкого гелия, закрытое пробкой; 3 — трубка для заливки жидкого азота; 4 — тонкостенные трубки из нержавеющей стали; 5 — штуцер вакуумной откачки; 6 — медные полированные сферы, каждая из которых спаяна из двух полусфер; 7 — адсорбент; 8 — трубки, соединяющие между собой вакуумные полости и одновременно служащие распорками}

Криостат очень похож на сосуд Дьюара, но между ними есть и различия. Полость между сосудом с гелием и внешней стенкой заполнена жидким азотом. Жидкий азот нужен для того, чтобы уменьшить испарение гелия, — именно азот, так как он не взрывоопасен и получение его из воздуха чрезвычайно дешево.

Емкости для гелия и азота выполнены из полированной меди, высокая теплопроводность которой компенсируется подвеской системы на тонкостенных трубках из нержавеющей стали — материала, плохо проводящего теплоту.

Чтобы вакуум в «рубашке» сохранялся длительное время, в вакуумных промежутках помещен адсорбент — поглотитель газов (обычно активированный уголь). Из такого криостата может испариться не более 100 см³ гелия в сутки.