Термомеханический эффект (эффект фонтанирования) — эффект перетекания свертекучей жидкости против потока тепла. Был обнаружен Алленом и Джонсом в 1938 г.[1] При нагревании сосуда с , соединённого сверхщелью (очень узкой щелью шириной менее см) с другим сосудом, гелий перетекает в нагреваемый сосуд из другого сосуда[2]. Закон сохранения энтропии требует, чтобы скорость жидкости имела то же направление, что и поток энтропии . 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 , он стремится вытечь из верхнего конца капилляра, наблюдается фонтан высотой до 30 см.[4][5]
Механокалорический эффект править
Обратным к термомеханическому является механокалорический эффект. Был обнаружен Даунтом и Мендельсоном в 1939 г.[6] При перетекании 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 править
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 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 править
Примечания править
- ↑ 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.
Литература править
- Паттерман С. Гидродинамика сверхтекучей жидкости. — М.: Мир, 1978. — 520 с.