Фазовые переходы второго рода. Жидкий гелий. Сверхтекучесть

Существуют фазовые переходы второго рода, при которых некоторые свойства вещества изменяются скачком. Характерной особенностью таких переходов является отсутствие теплоты перехода. К фазовым переходам второго рода относятся такие переходы как потеря ферромагнитных свойств при переходе через точку Кюри, переход проводника в сверхпроводящее состояние, переход гелия I в гелий II. Рассмотрим фазовый переход второго рода на примере жидкого гелия. Жидкий гелий замечателен тем, что это самая холодная жидкость в природе. Наиболее важной особенностью жидкого гелия является существование двух его модификаций, переходящих одна в другую при температуре 2,186 К при атмосферном давлении. Эти модификации называют Не-I и Не-II. Точка перехода Не-I в Не-II называется λ- точкой из-за вида кривой температурной зависимости теплоёмкости жидкого гелия, напоминающей букву λ (рис.6.10).

Переход Не-I в Не-II происходит без выделения или поглощения скрытой теплоты, что говорит о фазовом переходе второго рода. Свойства этих модификаций гелия различны. Не-I –бесцветная жидкость, бурно кипящая с обильным выделением пузырьков.(Не-II низкотемпературная модификация) - спокойная жидкость с отчётливой поверхностью, обладающая чрезвычайно высокой теплопроводностью и сверхтекучестью. Сверхтекучесть Не-II открыл в 1938 году П.Л.Капица (нобелевский лауреат). Объяснение этого явления было дано в 1941 году Л.Д.Ландау на основе квантово-механических представлений о характере теплового движения в жидком гелии. Течение жидкого Не-II происходит так, как будто его вязкость равна нулю. Это значит, что он может свободно протекать через самые тонкие капилляры, щели, отверстия, непроницаемые даже для газов. В тонких капиллярах (диаметром 10^-4 ÷10^-5 см) течение жидкого Не-II уже не определяется уравнением Пуазейля и скорость течения его не зависит от разности давлений и длины капилляра. Однако, существует определённая критическая скорость, выше которой начинают действовать силы трения и движение становится вязким. Величина критической скорости повышается с понижением температуры и при самых низких температурах становится постоянной. На поверхности всякого твёрдого тела, соприкасающегося с жидким Не-II образуется тонкая движущаяся плёнка. Она движется в сторону, где температура выше. Если поверхность тела имеет одинаковую температуру, меньшую температуры λ- точки, и часть тела не погружена в жидкий гелий, то не погруженная часть поверхности покрывается тонкой плёнкой. В жидком Не-II наблюдается термомеханический эффект, который заключается в том, что, когда в тонком капилляре существует поток тепла, то в направлении, противоположном этому потоку, возникает поток жидкости.

Жидкий Не-II ещё и сверхтеплопроводен. Теплопроводность при переходе через λ- точку возрастает в 5 ^. 10⁶ раз и становится лучше, чем у металлических проводников тепла.