Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
7°. Значения критических параметров рк, Vvx и Tk (п. 1°) выражаются через коэффициенты а и Ъ в уравнении Ван-дер-Ваальса (11.5.2.4°) и универсальную газовую постоянную R (11.1.4.4°):
- —— V „ Oi1 ф _ 8 а
Pr ~ 27^2’ vK ~ ’ к ~ 27bR ‘
§ II.5.4. Понятие о сверхтекучести гелия
1°. Гелий является таким веществом, которое, переходя из газообразного в жидкое состояние при нормальном атмосферном давлении и температуре 4,22 К, остается жидким, если охлаждать его как угодно близко к абсолютному нулю (11.4.8.4°).
2°. При температуре 2,19 К в жидком гелии происходит фазовый переход II рода: жидкий гелий I, существующий при
T > 2,19 К, переходит в жидкий гелий II, который существует
при T < 2,19 К.
Фазовым переходом II рода называется такое превращение вещества, которое не связано с выделением или поглощением теплоты, как это происходит при фазовых переходах I рода. При фазовых переходах II рода скачкообразно изменяются теплоемкости, коэффициенты теплового расширения и некоторые другие характеристики вещества. Примеры фазовых переходов II рода: превращение железа в точке Кюри (111.12.5.2°)
190
ГЛ. II. 5. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ Й ПАРЫ
из ферромагнитного вещества в парамагнитное (111.12.3.5°), переход некоторых металлов и сплавов при весьма низких температурах в состояние сверхпроводимости (VII.2.6.1°).
3°. Обнаружено явление сверхтекучести гелия II — практически полное отсутствие вязкости при течении такого гелия через капилляры (11.6.5.5°). Коэффициент вязкости (11.3.8.4°) у гелия II меньше IO-12 Па • с, в то время как у гелия I вблизи температуры 4,22 К этот коэффициент имеет величину порядка IO-6 Па • с.
4°. Гелий II представляет собой смесь сверхтекучей и нормальной компонент (двухжидкостная модель жидкого гелия). Сверхтекучая компонента движется без трения и не участвует в переносе энергии в форме теплоты (11.2.2.1°). Нормальная компонента движется с трением и участвует в переносе энергии.
5°. Теория сверхтекучести основана на квантовой механике (VI.1.1.2°). Квантовая механика объяснила прежде всего, почему гелий является единственной незамерзающей жидкостью при сверхнизких температурах и нормальном давлении. Нулевые колебания (VI.1.5.6°) легких атомов гелия достаточно интенсивны и не позволяют слабым силам притяжения между атомами гелия при обычных давлениях образовать кристаллическую структуру.
В основе современной теории сверхтекучести лежит изучение энергетического спектра гелия при сверхнизких температурах. Непрерывный энергетический спектр в этих условиях может быть рассмотрен как совокупность элементарных возбуждений, или так называемых квазичастиц с энергиями h\it где h — постоянная Планка, Vi — частоты фононов (VII.2.7.5°), соответствующих этим возбуждениям. Квазичастицы нельзя отождествлять с реальными атомами гелия. Они сопоставляются всему коллективу атомов гелия, и значения энергии элементарного возбуждения описывают энергетический спектр всей квантовой системы — жидкого гелия в целом. При низких температурах возбужденное состояние гелия представляет собой звуковые волны, являющиеся элементарными возбуждениями в нормальной части жидкого гелия II. С ними связан запас внутренней энергии в жидком гелии и наличие в нем трения. Ho в гелии II возможны такие состояния, соответствую-
§ И.6.1. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ
191
щие сверхтекучей части гелия II, в которых «элементарные возбуждения» энергетически невыгодны и не возникают. В результате сильного взаимодействия между частицами сверхтекучей части гелия II образуется связанный коллектив, в котором не возникает тепловых возбуждений, и сверхтекучая часть гелия II не имеет запаса внутренней энергии и не обладает вязкостью. При абсолютном нуле температуры в гелии II не должно было быть нормальной части, он весь должен был бы быть сверхтекучим. По мере нагревания число фононов растет, и увеличивается доля нормальной компоненты гелия II. Ho пока температура не достигнет 2,19 К, в гелий II сохраняется сверхтекучая компонента с присущими ей свойствами. При температуре 2,19 К гелий II превращается в гелий I, и все особые свойства гелия II исчезают.
Глава II.6 ЖИДКОСТИ
§ II.6.1. Некоторые свойства жидкостей
1°. Жидкостями называются тела, которые, имея определенный объем, принимают форму сосуда, в котором они находятся. О тепловом движении в жидкостях см. 11.1.1.5°. Характер теплового движения в жидкостях определяет сходство свойств жидкостей со свойствами как твердых тел, так и газов. Подобно твердым телам жидкости малосжимаемы. Это свойство связано с сильным межмолекулярным взаимодействием частиц в жидкости. При сжатии жидкостей уменьшаются расстояния между молекулами и резко возрастают силы отталкивания, препятствующие сжатию (11.5.1.4°). Жидкости имеют относительно большие плотности и так же, как твердые тела, сопротивляются не только сжатию, но и растяжению (VII. 1.3.6°). Это проявляется в том, что изотермы Ван-дер-Ва-альса заходят в область отрицательных давлений (изотерма при T — T1 на рис. II.5.5). Сходство свойств жидкостей и реальных газов при высоких температурах и малых плотностях проявляется, например, в том, что с повышением температуры уменьшаются коэффициент поверхностного натяжения жидкостей (II.6.4. 4°) и удельная теплота парообразования
