Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Эксперименты с жидким гелием II

П. Л. Капица, занявшись жидким гелием, обратил внимание на то, что наличие у Не II одновременно сверхтеплопроводности и малой вязкости содержит в себе некоторое противоречие принятыми объяснениями этих явлений. Действительно, вязкость объясняется тем, что относительное скольжение слоев жидкости происходит с трением - их атомы вследствие взаимодействия препятствуют этому движению. Чем больше такое взаимодействие, тем сильнее внутреннее трение и тем больше вязкость жидкости. Но теплопроводнссть - это тоже взаимодействие атомов, их способность передавать от одних- к другим колебательное тепловое движение, т.е. энергию в форме тепла от более нагретых участков тела к менее нагретым. Следовательно, теплопроводность тем больше, чем меньше расстояние между атомами, т.е. чем плотнее тело. Выходит, что и вязкость, и теплопроводность связаны со взаимодействием молекул сходным образом: если увеличивается теплопроводность, то должна увеличиваться и вязкость.

Но в Не II все происходит наоборот: теплопроводность его колоссально возрастает, а вязкость, напротив, падает. Получается явное противоречие, и именно с его раскрытия начались знаменитые исследования Капицы.

П. Л. Капица выдвинул положение, что той громадной теплопроводности Не II, которую наблюдал и измерил Кеезом, на самом деле нет, т.е. теплопередача есть, но она идет не путем теплопроводности, а совсем иначе - конвекцией. Напомним, что конвекция - это перенос энергии не путем теплопроводности, а движущимся потоком газа или жидкости. Типичным примером конвекции может служить нагревание воды в чайнике или кастрюле. Оно, как известно, ведется снизу; нагретая вода, поднимаясь вверх, переносит энергию, а вытесняемая холодная вода идет вниз, где тоже нагревается. Такая циркуляция (конвективные токи жидкости) и обеспечивает конвективный, с потоком вещества теплоперенос. Если же греть воду сверху, рассчитывая только на теплопроводность, то тепло доберется до нижних ее слоев очень нескоро. И наоборот, охлаждать воду нужно сверху. Тогда холодная, более тяжелая вода будет идти вниз, и придонные слои тоже быстро охладятся вследствие конвекции.

Расчеты показали, что объяснить теплопередачу не сверхтеплопроводностью Не II, а конвекцией трудно: для этого его вязкость должна быть крайне мала. Иначе конвекция не будет столь интенсивной, как наблюдаемая. Но измерения вязкости Не II, проведенные в Канаде (Торонто), показали, что она гораздо больше, чем вычисленная по модели Капицы. Чтобы снять это и другие противоречия и дать физикам-теоретикам основу для построения соответствующей теории, Капица и его помощники подготовили и провели ряд остроумных и трудновыполнимых экспериментов с Не II.

Начали с измерения вязкости. Ее очень трудно правильно измерить даже при обычных температурах - мешает перемешиванне жидкости (турбулизация), которое увеличивает сопротивление и показывает, следовательно, завышенную вязкость. Чтобы избежать этого, нужно пропускать жидкость через очень узкую щель. Был создан вискозиметр (прибор для измерения вязкости) со щелью размером 0,5 мк (0,0005 мм), который мог надежно работать на гелиевом уровне.

Измерения показали, что идея Капицы была верной. Вязкость Не II оказалась по крайней мере в 1000 раз меньше, чем измеренная экспериментаторами раньше. Оправдалось изречение А. П. Чехова "Человеков ловят на противоречиях".

Но и это значение вязкости, если учесть все же возможную турбулентность, было завышенным. Поэтому Капица предположил, что Не П вообще лишен вязкости и представляет собой иднеальную жидкость, трение между слоями которой отсутствует вообще. По аналогии со сверхпроводимостью он назвал это свойство сверхтекучестью. Тогда так называемая "сверхтеплопроводность" становится лишь следствием сверктекучести; тепло переносится в Не II не теплопроводностью, а конвекцией.

Далее последовала целая серия новых экспериментов. Было доказано точными измерениями, что истинная теплопроводность Не II примерно такая же, как и у жидкого Не I, т.е. примерно в 100 000 раз меньше, чем у меди. Таким образом, было окончательно подтверждено предположение, что сверхтеплопроводности как таковой нет, а все дело в сверхтекучести.

Но самый парадоксальный эффект был получен при дальнейших опытах со сверхтекучим гелием. Исследование началось с того, что было создано устройство, позволяющее получить поток Не II и изучить его поведение как при течении в трубе, так и при выходе струи из нее в ванну с гелием. Было создано устройство, схема которого в двух вариантах показана на рис. 7.10. В сосуде 2, помещенном в ванну 1 со сверхтекучим гелием, помещен электронагреватель 3 (рис. 7.10 а). При его включении происходит нагрев жидкого гелия, находящегося в колбочке, и часть его вытекает наружу через горловину сосуда 2. Образующаяся струя давит на диск 4, подвешенный на нити 5 так, чтобы струя попадала на него, поворачивая его на некоторый угол.

Рис. 7.10. Опыты с однонаправленным течением жидкого Не II: а, б - вытекание при нагреве из нагреваемой колбочки и реактивной турбинки

Однако диск 4 показывал только действие струи, вытекавшей из горловины колбочки. Никакие его перемещения не показывали наличия какого-либо потока, втекающего в колбочку. Получалась совершенно непонятная картина - гелий постоянно, в течение неограниченного времени вытекал из колбочки как из сказочного рога изобилия, но не втекал в нее!

Очень красиво это явление демонстрировал опыт с реактивной турбиной ("паучком") (рис. 7.10 б). Стеклянный "паучок", насаженный на вертикальную иглу 2, был погружен в жидкий Не II. Кончики 3 его "лапок", загнутые под прямым углом, имели отверстия на концах. Через них он, при погружении в ванну, заполнялся жидким гелием. В центральной его части 4 внутренняя поверхность была зачернена. Если освещать это место пучком света 6 (т.е. нагревать), то тепло будет передаваться гелию так же, как в опыте с нагреваемой колбочкой. В результате нагрева гелия происходит то же самое, что и в предыдущем опыте: гелий непрерывно вытекает, но не из одного отверстия, а из кончиков всех "лапок паучка". Это видно потому, что "паучок" начинает вращаться под действием реактивной силы в направлении, противоположном тому, куда вытекают струйки жидкости. Но равного ему втекания нет, ибо в этом случае "паучок" бы не вращался!

Единственное предположение, которое можно было сделать по этому поводу (если, разумеется, исключить чудо), состояло в том, что гелий все же втекал обратно вдоль стенки тончайшим слоем. Капица сначала так и предполагал: на рис. 7.11 показана предложенная им схема встречного движения жидкого Не II. Однако при всем его искусстве экспериментатора обнаружить этот слой не удалось. Но факт оставался и требовал объяснения.

Рис. 7.11. Схема первоначального объяснения опытов, показанных на рис. 7.10

Следующая страница: Создание теории сверхтекучего гелия