PROFILPELAJAR.COM

Термомеханический эффект (эффект фонтанирования) — эффект перетекания свертекучей жидкости против потока тепла. Был обнаружен Алленом и Джонсом в 1938 г.^[1] При нагревании сосуда с $He_{II}$ , соединённого сверхщелью (очень узкой щелью шириной менее $10^{-4}$ см) с другим сосудом, гелий перетекает в нагреваемый сосуд из другого сосуда^[2]. Закон сохранения энтропии ${\frac {\partial \rho s}{\partial t}}+\nabla \rho sv=0$ требует, чтобы скорость жидкости $v$ имела то же направление, что и поток энтропии $\rho sv$ . Тем не менее, в случае термомеханического эффекта сверхтекучая жидкость течёт против потока тепла^[3]. Также называется эффектом фонтанирования, так как в случае нагревания нижнего конца капилляра с $He_{II}$ , он стремится вытечь из верхнего конца капилляра, наблюдается фонтан высотой до 30 см.^[4]^[5]

Механокалорический эффект

Обратным к термомеханическому является механокалорический эффект. Был обнаружен Даунтом и Мендельсоном в 1939 г.^[6] При перетекании $He_{II}$ из одного сосуда в другой сквозь сверхщель, в сосуде, из которого вытекает сверхтекучая жидкость, температура возрастает, а сосуде, в который перетекает жидкость, охлаждается^[7].

Объяснение

Термомеханический и механокалорический эффекты были объяснены П. Л. Капицей в 1941 г. на основе результатов проведённых им опытов по точному измерению температуры, скорости поступления тепла и разности давлений при перетекании $He_{II}$ через сверхщель и построенной на их основе двухжидкостной модели свехтекучести^[8]^[9]^[10].

Двухжидкостная модель гелия-II объясняет оба эффекта тем, что через узкие щели протекает лишь сверхтекучая компонента, которая не переносит энтропии^[11]^[2].

Термомеханический эффект объясняется тем, что нормальная компонента, переносящая тепло, не может пройти через капиллярную трубку, а сверхтекучая компонента, которая проходит через капилляр, не переносит тепла и является прекрасным изолятором. Жидкость, вытекающая из сосуда через сверхщель, не несёт с собой энтропии. В результате остающаяся в сосуде жидкость сохраняет прежнюю энтропию, но распределённую по меньшей массе, то есть её температура повышается^[12]. Повышение температуры на нижнем конце капилляра приводит к повышению давления на нижнем конце по сравнению с верхним. Фонтанирующая струя появляется вследствие разности давлений^[4].

Механокалорический эффект объясняется тем, что сверхтекучая компонента не переносит тепла. В результате в сосуде, откуда вытекает гелий, нет потери тепла, а полная масса уменьшается, энергия в расчёте на единицу массы возрастает, остающийся в сосуде гелий нагревается^[4]. В сосуде, куда перетекает жидкость, энтропия также не изменяется, но распределяется по большей массе и в результате температура в нём понижается^[12].

См. также

Сверхтекучесть

Примечания

↑ Allen J.F., Jones J. Nature, 141, 243 (1938)
↑ ¹ ² Р. Фейнман Статистическая механика. - М., Мир, 1975. - c. 357
↑ Паттерман, 1978, с. 39.
↑ ¹ ² ³ Сверхтекучесть // Физика микромира. - М., Советская энциклопедия, 1980. - c. 354, 358
↑ Сверхтекучесть // Физика от "А" до "Я". - М., Педагогика-Пресс, 2003. - с. 352
↑ Daunt J.G., Mendelssohn K. Nature, 143, 719 (1939)
↑ Паттерман, 1978, с. 40.
↑ Капица П. Л. Проблемы жидкого гелия // Эксперимент, теория, практика. - М., Наука, 1981. - с. 22 - 49
↑ Капица П. Л.Journ. Phys. USSR, 5, 59 (1941)
↑ Капица П. Л. Phys. Rev., 60, 354 (1941)
↑ Паттерман, 1978, с. 45-46.
↑ ¹ ² Паттерман, 1978, с. 41.