Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Specyficzne własności helu w
temperaturach kriogenicznych
Opracowała: Joanna Pałdyna
W ramach przedmiotu: Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Kierunek studiów: Inżynieria mechaniczno-medyczna
Studia stacjonarne II stopnia
Gdańsk, 11.01.2013
Spis treści
1. Hel i jego izotopy
2. Temperatury kriogeniczne
3. Specyficzne własności helu
4. Zastosowanie izotopów helu
5. Podsumowanie
6. Literatura
1. Hel i jego izotopy
Hel i wodór pojedynczo otwierają układ okresowy pierwiastków. Hel należy do grupy gazów
szlachetnych, chemicznie biernych, nietworzących związków z innymi pierwiastkami. Zaraz
po wodorze, jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Stężenie
tlenu w powietrzu jest niższe od 0,001%, dlatego przy obecnej technologii jego odzysk z
powietrza nie jest opłacalny. W większym stężeniu hel występuje w złożach gazu ziemnego,
szczególnie w tych zasobnych w azot.
Jedną z najważniejszych własności helu, pod względem zastosowań w technice jest
jego bardzo niska temperatura skraplania pod ciśnieniem normalnym (4,2K). Ze wszystkich
znanych nam substancji jest to najniższa temperatura.
Ponadto w temperaturach dążących do zera, hel nie zestala się, pod warunkiem, że nie
jest poddany działaniu wysokich ciśnień.
Hel jest jedyną substancją charakteryzującą się niższą temperaturą wrzenia niż
temperatura wrzenia wodoru, a jego cząsteczka jest najmniejszą ze wszystkich znanych nam
molekuł.
W przyrodzie występuję dwa stabilne izotopy helu: 4He i 3He.
Hel trójwartościowy jest całkowicie sztucznie pozyskiwany. Powstaje w wyniku
rozpadu litu bombardowanego neutronami, dlatego też w zastosowaniach technicznych
praktycznie nie występuje.
Hel czterowartościowy różni się od 3He ilością neutronów w jądrze i jest szerzej
rozpowszechniony. Powstaje w wyniku niskotemperaturowej rektyfikacji.
W poniższej tabeli porównano wybrane właściwości obu izotopów helu.
3
He
4
He
Temperatura wrzenia [K]
3,19
4,21
Temperatura krytyczna [K]
3,32
5,20
Gęstość [g/cm ]
0,082
0,1451
Współczynnik ekspansji
662
749
3
2. Temperatury kriogeniczne
Aby przejść do wyjątkowych własności helu, musimy przenieść się do temperatur
niższych. Możemy wprowadzić pojęcie kriogeniki. Zajmuje się ona określeniem metod
uzyskiwania i wytwarzania temperatur poniżej 111,1 K, czyli temperatury wrzenia metanu
pod normalnym ciśnieniem.
W bardzo niskich temperaturach zachodzą zjawiska, które nie występują w
temperaturze otoczenia, a ciała pozyskują nowe własności.
Wykres fazowy dla 4He
Wykres fazowy dla 3He
Powyżej przedstawiono dwa wykresy fazowe obu izotopów helu. Linie cieczpara oraz ciecz-ciało stałe są połączone linią λ, odgraniczającą od siebie dwie postaci
helu. Hel I, który przedstawia zwykły hel, obdarzony lepkością oraz charakteryzujący
się niewielką przewodnością cieplną, oraz Hel II. Ten drugi jest inaczej nazywany
helem nadciekłym. W tym stanie pozbawiony jest lepkości i charakteryzuje się bardzo
dużą przewodnością cieplną ( 1000 razy większą od miedzi). Jak można
zaobserwować na wykresach, 4He przechodzi w stan nadciekły w zakresie temperatur
2,17-1,77 K, a 3He już wartościach rzędu kilku mK.
3. Specyficzne własności helu
W temperaturach kriogenicznych nadciekły hel uzyskuje następujące własności:
a) bardzo duża przewodność cieplna: umożliwiająca przenoszenie dużych strumieni ciepła
przy znikomych gradientach temperatur,
b) bardzo małe ciepło parowania- wraz z ciśnieniem par helu określają przydatność cieczy do
chłodzenia,
c) bardzo duże ciepło właściwe: bardzo duże w porównaniu z innymi ciałami,
d) występowanie efektu Pomerańczuka: ciecz przechodzi w ciało stałe pobierając ciepło,
e) nadciekłość: w temperaturze poniżej 2,17 hel II wykazuje znikomą lepkość oraz bardzo
dużą przewodność cieplną, obserwujemy zjawisko wspinania się po ściankach naczynia[rys 3.1.]
f) nadprzewodnictwo: czyli całkowity zanik oporu elektrycznego próbki, co daje nam
możliwość obserwacji lewitującego przedmiotu nad nadprzewodnikiem schłodzonym poniżej
temperatury przejścia [rys. 3.2.].
Rys. 3.1.
Rys. 3.2.
4. Zastosowanie
Poniżej podano kilka przykładów zastosowania helu wraz z jego unikalnymi własnościami:
•
Do ziębienia niskotemperaturowych nadprzewodnikach znajduje zastosowanie w
akceleratorach
cząstek,
detektorach
SQUID,
urządzeniach
NMR,
nadprzewodnikowych separatorach,
•
do produkcji nadprzewodników,
•
do uzyskiwania temperatur znacznie niższych od 1 K w chłodziarkach
rozcieńczalnikowych oraz w chłodziarkach wykorzystujących efekt Pomerańczuka,
•
w instalacjach kriogenicznych służących do kriostatowania maszyn i urządzeń
wykonanych z nadprzewodników, szczególnie magnesów wykorzystywanych w
tomografach MRI,
•
do kriostatowania wysokopolowych magnesów oraz wnęk rezonansowych o wysokich
częstotliwościach, np. w akceleratorach cząstek.
5. Podsumowanie
Kriogenika helowa rozwija się już od lat 50-tych XX wieku. Biorąc pod uwagę
omówione obszary zastosowań helu oraz nowe technologie, które mogą zacząć
wykorzystywać hel, przewiduje się, że w ciągu najbliższych dziesięciu lat zużycie
helu będzie wzrastało o 5 do 6% rocznie. Nie wydaje się, żeby hel
w ciągu
najbliższych lat stracił zainteresowanie naukowców, a wręcz przeciwnie, w niektórych
przypadkach dalej będzie on niezastąpiony.
Bibliografia:
•
M. Chorowski „Kriogenika podstawy i zastosowanie„
•
Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Zakład
Chłodnictwa i Kriogeniki, LABORATORIUM Z KRIOGENIKI
•
M. Chorowski „Ciecze kriogeniczne i zasady bezpiecznego ich użytkowania”
•
M. Chorowski „Produkcja i zastosowanie helu”
•
www.wikipedia.pl