Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych
Transkrypt
Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych
Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE „Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych” Urszula Nowotniak IM-M sem.01 st.II r. ak. 2012/2013 1. Izotopy helu Hel jest „popularnym” pierwiastkiem w przyrodzie, jednak występuje pod postacią jedynie dwóch stałych izotopów: 3He i 4He. Pierwszy z nich stosowany jest w celu uzyskiwania temperatur poniżej 1K. Ze względu na jego rzadkie występowanie i bardziej problematyczne otrzymywanie (w porównaniu do izotopu 4He) nie jest używany w technice. Jądro izotopu 3He składa się z dwóch protonów i jednego neutronu. Jądro izotopu 4He składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jest cięższy od izotopu 3 He, z czego wynikają różnice w ich właściwościach. 2. Izotop 3He Zmiany fazowe izotopu 3He w zależności od zmian ciśnienia i temperatury przedstawia poniższy wykres. Izotop ten zestala się pod dosyć wysokim ciśnieniem (ok. 3 MPa) i przy bardzo niskich temperaturach (ok. 1K). Po schłodzeniu ciekłego („superfluid”). 3 He przechodzi on w stan nadciekły 3. Izotop 4He Poniższy wykres przedstawia zmiany fazowe izotopu 4He pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Kształt wykresu 4He znacznie różni się od wykresu izotopu 3He. Izotop 4He zestala się przy niższym ciśnieniu (ok. 2,5 MPa) i wyższych temperaturach (ok. 2,7K). W warunkach ciśnienia poniżej wymaganego do zestalenia się helu i temperatury poniżej ok. 2,2 K izotop 4He przechodzi w stan nadciekły. 4. Nadciekłość Jest to unikalna właściwość helu. „Hel nadciekły jest pozbawiony tarcia i może przenosić duże strumienie ciepła przy znikomych gradientach temperatury.”[1] Nadciekłość zauważalna jest w skali makroskopowej. Zjawisko nadciekłości można zaobserwować umieszczając pusty pojemnik w otoczeniu nadciekłego helu. Po pewnym czasie nadciekły hel zacznie samoczynnie przedostawać się do pustego naczynia „pełzając” po ściankach. Istotę zjawiska ilustruje poniższy rysunek. 5. Efekt fontanny Efekt fontanny możliwy jest do zaobserwowania dzięki nadciekłości helu. Zbiorniczek z nadciekłym helem należy zamknąć od dołu porowatą zatyczką lub proszkiem i umieścić w zbiorniku z nadciekłym helem. Zamknięty hel należy podda działaniu ciepła. W wyniku dostarczanej znikomej ilości ciepła składowa nadciekła zostanie zamieniona na składową normalną, czemu nie towarzyszy efekt cieplny ani nawet zmiana temperatury. „W efekcie pojawia się niedomiar składowej nadciekłej, która dopływa przez porowatą zatyczkę (przez zatyczkę tę nie może odpłynąć składowa normalna ze względu na lepkość).”[1] W zbiorniczku pojawia się nadciśnienie powodujące wytrysk helu przez otwór. Poniższy schemat ilustruje przeprowadzanie opisanego doświadczenia. Zdjęcie poniżej ukazuje efekt fontanny uzyskany z fazy nadciekłej izotopu 4He. Literatura: [1] Materiały do wykładu prof. dr hab. inż, Macieja Chorowskiego; dostęp dn. 09.05.2013r. http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/Wyklady/pods_krio/Wyklad13.pdf [2] Materiały do wykładu prof. dr hab. Anny Okopińskiej; dostęp dn. 09.05.2013r. http://www.ujk.edu.pl/strony/Anna.Okopinska/BEC/g3nadcieklosc.pdf [3] Konspekt do wykładu prof. dr hab. inż, Macieja Chorowskiego; dostęp dn. 09.05.2013r. http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Produkcja%20i%20zastosowania%20helu.pdf [4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadciek%C5%82o%C5%9B%C4%87 [09.05.2013r.]