低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件

預(yù)冷型林德-漢普森制冷機(jī)及其熱力循環(huán)圖第二章低溫液體預(yù)冷型林德-漢普森制冷機(jī)及其熱力循環(huán)圖第二章低溫液體1低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件2低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件3獲得低溫的一些主要方法獲得低溫的一些主要方法4120K溫度區(qū)：烷、烯、炔等，如：石油氣（主要為戊、己烷）、天然氣（主要為甲烷）80K溫度區(qū)：空氣成分：氧、氮、氬等20K溫區(qū)：氫4K溫區(qū)：氦超低溫區(qū)：3He低溫工質(zhì)的種類120K溫度區(qū)：烷、烯、炔等，如：石油氣（主要為戊、己烷）、5循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì)循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì)6低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件7空氣是由什么組成的空氣含有多種氣體

氮?dú)?/p>

(78%)

氧氣

(21%)稀有氣體其他氣體水蒸氣

二氧化碳（0.94％）（0.03％）（0.03％）體積分?jǐn)?shù)空氣的分離空氣是由什么組成的空氣含有多種氣體氮?dú)?788低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件9氮是一種無色無味的氣體，比空氣稍輕，難溶于水；氮的化學(xué)性質(zhì)不活潑，通常情況下很難與其它元素直接化合，可用作保護(hù)氣體；在高溫下，氮能夠同氫、氧及某些金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；氮無毒，又不能磁化，其沸點(diǎn)比空氣低，所以液氮是低溫研究中最常用的安全冷卻劑，但需當(dāng)心窒息；液氮也用于氫、氦液化裝置中，作為預(yù)冷；液氮應(yīng)小心儲存，避免同碳?xì)浠衔镩L時(shí)間的接觸，以防止碳?xì)浠衔镞^量溶于其中而引起爆炸；液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氮冷卻到63.2K時(shí)轉(zhuǎn)變成無色透明的結(jié)晶體；液氮的沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)之間的溫差不到15K，因而在用真空泵減壓時(shí)容易使其固化；因固態(tài)氮的密度比液氮大，所以沉降在底部；在大約35.6K時(shí)，固態(tài)氮產(chǎn)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨比熱容的增大。轉(zhuǎn)化熱約為8.2kJ/kg。氮的性質(zhì)2.1液氮氮是一種無色無味的氣體，比空氣稍輕，難溶于水；氮的性質(zhì)2.110低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件11帶尾巴的高真空絕熱金屬杜瓦帶尾巴的高真空絕熱金屬杜瓦12低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件13無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是1.430kg/m3，比空氣略重；氧較難溶解于水；氧的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，它能與很多物質(zhì)（單質(zhì)和化合物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)放出熱量；反應(yīng)劇烈時(shí)還會燃燒發(fā)光；氧與其它大多數(shù)氣體的顯著不同在于具有強(qiáng)的順磁性，且某些氣態(tài)的氧化合物（如一氧化氮）也有順磁性；氧的這一特性已被利用來制作氧磁性分析儀，根據(jù)磁化率的變化可以測出抗磁性氣體混合物中所含微量氧的濃度；由于氧的化學(xué)活性很強(qiáng)，是一種強(qiáng)氧化劑，所以氧同碳?xì)浠衔锘旌鲜呛芪ｋU(xiǎn)的，液氧中存在碳?xì)浠衔锝Y(jié)晶體已不止一次引起過嚴(yán)重的爆炸事故。因此，液氧必須嚴(yán)格避免同各種油脂、潤滑油、炭、木材、瀝青、紡織物品接觸；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧在90.188K時(shí)變?yōu)橐子诹鲃?dòng)的淡藍(lán)色液體；在54.4K時(shí)凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶；液氧和固態(tài)氧的淡藍(lán)色是含有少量的氧聚合物O4而引起的；雖然氧的沸點(diǎn)比氮幾乎高13K，可是它的凝固點(diǎn)卻比氮低約9K；固態(tài)氧的密度大，因此在液氧中下沉；在43.80K和23.89K時(shí)，固態(tài)氧發(fā)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨有轉(zhuǎn)化熱；在40.80K時(shí)轉(zhuǎn)化熱超過溶化熱，約為23.2KJ/Kg；在23.89K時(shí)轉(zhuǎn)化熱只有2.93KJ/Kg。

氧的性質(zhì)無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是1.430kg/m3，比空14精餾塔主要由下塔、上塔

及冷凝蒸發(fā)器組成。冷凝蒸發(fā)器：作用:供氮?dú)饫淠鸵貉跽舭l(fā)用，以維持精餾塔精餾過程的進(jìn)行。

結(jié)構(gòu):為多層板翅式，相鄰?fù)ǖ赖奈锪魍ㄟ^翅片和隔板進(jìn)行良好的換熱。使用方式:冷凝蒸發(fā)器一般置于上、下塔之間，下塔上升的氮?dú)庠谄溟g被冷凝，而上塔回流的液氧在其間被蒸發(fā)。這個(gè)過程得以進(jìn)行，是因?yàn)榈獨(dú)鈮毫Ω?，液氧壓力低。例如氮?dú)鈮毫?.511MPa時(shí)，液化溫度為94.4K，而液氧在壓力為0.1389MPa時(shí)，蒸發(fā)溫度93.1K，兩者溫差1.3K。這樣，氮?dú)獾睦淠鸵貉醯恼舭l(fā)就可進(jìn)行。各類冷凝蒸發(fā)器都是按此原理進(jìn)行的，只是冷凝和蒸發(fā)的介質(zhì)不同而已。

精餾系統(tǒng)精餾塔主要由下塔、上塔及冷凝蒸發(fā)器組成。冷凝蒸發(fā)器：精餾系15下塔與上塔:作用:利用混合氣體中各組分的沸點(diǎn)不同，將其分離成所要求純度的組分。結(jié)構(gòu):塔體為圓筒形，下塔內(nèi)裝多層篩板，篩板上設(shè)置溢流斗，有一個(gè)溢流擋板，并密布小孔。上塔內(nèi)裝規(guī)整填料及液體分布器。使用方式:下塔精餾過程中，液體自上往下逐一流過每塊篩板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液層高度。當(dāng)氣體由下而上穿過篩板小孔時(shí)與液體接觸，產(chǎn)生了鼓泡,這樣就增加了汽液接觸面積，使熱質(zhì)交換過程高效地進(jìn)行。低沸點(diǎn)組份逐漸蒸發(fā)，高沸點(diǎn)的組份逐漸液化，至塔頂就獲得低沸點(diǎn)的純氮，在塔底獲得高沸點(diǎn)的富氧液空組份。上塔在精餾過程中，氣體穿過分布器沿填料盤上升，液體自上往下通過分布器均勻地分布在填料盤上，在填料表面上氣、液充分接觸進(jìn)行高效的熱質(zhì)交換。上升氣體中低沸點(diǎn)組份(氮)含量不斷提高。高沸點(diǎn)組份(氧)被大量的洗滌下來，形成回流液最終在塔頂?shù)玫降头悬c(diǎn)純氮，塔底得到高沸點(diǎn)的液氧。

精餾系統(tǒng)下塔與上塔:精餾系統(tǒng)16海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品17氫的性質(zhì)最輕的工質(zhì)；無色無味，極難溶于水；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下H2的密度為0.0899kg/m3，是空氣的1/14.38；粘度最低、比熱容最大、熱導(dǎo)率最高；擴(kuò)散能力很強(qiáng)，不僅能穿過極小的空隙，甚至能透過一些金屬，如鈀（Pd）從240℃開始便可以被氫滲透，

易泄漏；氫有三種同位素：原子量為1的氕（符號H）；原子量為2的氘（符號D）和原子量為3的氚（符號T）。氕（通稱氫）和氘（亦稱重氫）是穩(wěn)定的同位素；氚則是一種放射性同位素，半衰期為12.26年。氚放出β射線后轉(zhuǎn)變成3He。氚是極稀有的，在1018個(gè)氫原子中只含有0.4~67個(gè)氚原子，所以自然氫中幾乎全部是氕（H）和氘（D），它們的含量比約為6400：1。不論是那種方法獲得的氫，其中氕的含量高達(dá)99.987%，氘（D）含量的范圍在（0.013~0.016）%之間。事實(shí)上，因?yàn)闅涫请p原子氣體，所以絕大多數(shù)的氘原子都是和氕原子結(jié)合在一起形成氘化氫（HD）。分子狀態(tài)的氘-D2在自然氫中幾乎不存在。因此，普通的氫實(shí)際上是H2和HD的混合物，HD在混合物里的數(shù)量在(0.026~0.032）%之間。2.2液氫氫的性質(zhì)最輕的工質(zhì)；無色無味，極難溶于水；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下H2的密18由雙原子構(gòu)成的氫分子H2內(nèi)，由于兩個(gè)氫原子核自旋方向的不同，故存在著正、仲兩種形狀。正氫（o－H2）的原子核自旋方向相同，仲氫（p－H2）的原子核自旋方向相反。正、仲態(tài)的平衡組成與溫度有關(guān)。氫氣在氧或空氣中燃燒時(shí)產(chǎn)生幾乎無色的火焰（若氫中不含雜質(zhì)）,其傳播速度很快，達(dá)2.7m/s；著火能很低，為0.2mJ。在大氣壓力及293K時(shí)氫氣與空氣混合物的燃燒體積分?jǐn)?shù)范圍是（4~75）%（以體積計(jì)）；當(dāng)混合物中氫的體積分?jǐn)?shù)為（18~65）%時(shí)特別容易引起爆炸。氫是一種易燃易爆物質(zhì)；因此進(jìn)行液氫操作時(shí)需要特別小心。而且應(yīng)對液氫純度進(jìn)行嚴(yán)格的控制與檢測。轉(zhuǎn)化溫度很低，約204K。必須把氫預(yù)冷到此溫度以下再節(jié)流方能產(chǎn)生冷效應(yīng)。氫不僅在低溫技術(shù)中可以用作工質(zhì)，或者液化之后可作為低溫冷卻劑，而且氫還是比較理想的清潔能源。在火箭技術(shù)中氫被作為推進(jìn)劑，同時(shí)利用氫為原料還可以產(chǎn)生重氫，以滿足核動(dòng)力的需要。由雙原子構(gòu)成的氫分子H2內(nèi)，由于兩個(gè)氫原子核自旋方向的不同，19氦氣制冷的氫液化系統(tǒng)氦氣制冷的氫液化系統(tǒng)20氦（Helium）為稀有氣體的一種。在自然界，存在著3He和4He兩種同位素。4He的原子核有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，稱為玻色子；而3He只有一個(gè)中子，稱為費(fèi)米子。

氦的應(yīng)用主要是作為保護(hù)氣體、氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體和超低溫冷凍劑。2.3正常液體4He的性質(zhì)量子流體——液氦氦（Helium）為稀有氣體的一種。在自然界，21氦（Helium)氦是由原子量為4.003的4He和3.016的3He兩種穩(wěn)定同位素氦在空氣中的含量僅5.24ppm，氦生產(chǎn)主要從天然氣中提取。氦中3He的含量約占1／107～1／106。通常指的是4He氦氣無色、無味，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。臨界溫度很低，是自然界中最難液化的氣體；4He的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)是4.224K，3He是3.191K。高比熱、高導(dǎo)熱率及低密度方面僅次于氫，是一種極好的低溫制冷劑零點(diǎn)能大，在壓力低于25atm，溫度接近0K時(shí)仍保持液態(tài)液氦4He是一種容易流動(dòng)的無色液體，表面張力極小，折射率(1.02)和氣體差不多，因此氦液面不易看見液氦的氣化潛熱比其它液化氣體小得多，1atm下4He為20.8kJ／kg，3He為8.5kJ／kg，極易氣化，需絕熱良好的容器來貯存氦（Helium)氦是由原子量為4.003的4He和3.0122液化氣體的理論最小功(初始點(diǎn)P=101.3kPa，T=300K)

氣體名稱沸點(diǎn)(K)理論最小功(kJ/kg)氦－33.198178氦－44.216819氫20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空氣78.8738.9一氧化碳81.6768.6氬87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.1液化氣體的理論最小功氣體名稱沸點(diǎn)(K)理論最小功(kJ/kg23考林斯氦液化系統(tǒng)考林斯氦液化系統(tǒng)24HeikeKamerlinghOnnes是1908年第一個(gè)得到液氦的科學(xué)家。他并不滿足，還想使溫度進(jìn)一步降低，以得到固態(tài)氦。他沒有成功（固態(tài)氦是1926年基索姆用降低溫度和增大壓力的方法首先得到的），卻得到了一個(gè)沒有預(yù)料到的結(jié)果。對于一般液體來說，隨著溫度降低，密度會逐漸增加。Onnes使液態(tài)氦的溫度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，當(dāng)溫度下降到零下271℃的時(shí)候，怪事出現(xiàn)了，液態(tài)氦突然停止起泡，變成像水晶一樣的透明，一動(dòng)也不動(dòng)，好像一潭死水，而密度突然又減小了。這是另一種液態(tài)氦。Onnes把前一種冒泡的液態(tài)氦叫做氦Ⅰ，而把后一種靜止的液態(tài)氦做氦Ⅱ。液體4He的密度-溫度關(guān)系2.17KHeikeKamerlinghOnnes是19025低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件26低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件27動(dòng)力粘度飽和態(tài)HeI，除在λ點(diǎn)附近外，動(dòng)力粘度基本保持0.0035Pa.s在飽和壓力以上，當(dāng)密度小時(shí)，動(dòng)力粘度隨溫度減小而減小；當(dāng)密度大時(shí)，隨溫度減小而增大；接近λ線時(shí)顯著減小HeII粘度極小，用毛細(xì)管流法已難以測定動(dòng)力粘度飽和態(tài)HeI，除在λ點(diǎn)附近外，動(dòng)力粘度基本保持0.28低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件29在飽和壓力以上，HeI導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小，隨溫度升高而增大在λ相變溫度以下，HeII具有超強(qiáng)導(dǎo)熱性，比銀的導(dǎo)熱性還好，其導(dǎo)熱規(guī)律已不能用傅立葉定律說明，蒸發(fā)只在液體表面進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)氣體動(dòng)力學(xué)理論給出熱導(dǎo)率K、粘滯系數(shù)和定容比熱cv的關(guān)系為Kcv＝2.5此關(guān)系對液體He-I也近似成立．在飽和壓力以上，HeI導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小，隨溫度升高而增30液體4He的介電常數(shù)-溫度關(guān)系液體4He的膨脹系數(shù)-溫度關(guān)系液體4He的介電常數(shù)-溫度關(guān)系液體4He的膨脹系數(shù)-溫度關(guān)系31液體4He的比熱和膨脹系數(shù)在相變點(diǎn)附近的精確測量對二級相變理論的發(fā)展起了重要的作用液體4He的比熱-溫度關(guān)系通常把相變點(diǎn)的溫度稱為T，當(dāng)T＞T

，稱液體He-I；

當(dāng)T＜T

，稱液體He-II。液體4He的比熱和膨脹系數(shù)在相變點(diǎn)附近的精確測量對二級相變理32PyotrL.Kapitsa，1894—19841978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予蘇聯(lián)莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)家學(xué)院的卡皮查(PyotrL.Kapitsa,1894-1984),以表彰他在低溫物理學(xué)領(lǐng)域的基本發(fā)明和發(fā)現(xiàn).1937年發(fā)現(xiàn)氦的超流現(xiàn)象2.4液體4He的超流相和噴泉現(xiàn)象PyotrL.Kapitsa，1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一3320年代30年代末期，卡皮查發(fā)現(xiàn)把一個(gè)小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是過了一會，杯底出現(xiàn)了液態(tài)氦，慢慢地漲到跟杯子外面的液態(tài)氦一樣平為止。把這個(gè)盛著液態(tài)氦的小玻璃杯提出來，掛在半空?？?，玻璃杯底下出現(xiàn)了液氦，一滴，兩滴，三滴……不一會，杯中的液態(tài)氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎？不，玻璃杯一點(diǎn)也不漏。這是怎么回事呢？原來氦Ⅱ是能夠倒流的，它會沿著玻璃杯的壁爬進(jìn)去又爬出來。這是在我們?nèi)粘Ｉ钪袥]有碰到過的現(xiàn)象，只有在低溫世界才會發(fā)生。這種現(xiàn)象叫做“超流動(dòng)性”(Superfluidity)，具有“超流動(dòng)性”的氦Ⅱ叫做超流體(Superfluid)。20年代30年代末期，卡皮查發(fā)現(xiàn)把一個(gè)小玻璃34后來，許多科學(xué)家研究了這種怪現(xiàn)象，又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。其中最有趣的是1938年阿蘭等人發(fā)現(xiàn)的氦II噴泉。在一根玻璃管里，裝著很細(xì)的金剛砂，上端接出來一根細(xì)的噴嘴。將這玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，細(xì)噴嘴就會噴出氦Ⅱ的噴泉，光越強(qiáng)噴得越高，可以高達(dá)數(shù)厘米。氦Ⅱ噴泉也是超流體的特殊性質(zhì)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，光能直接變成了機(jī)械能。氦Ⅱ噴泉效應(yīng)如何解釋？后來，許多科學(xué)家研究了這種怪現(xiàn)象，又有了許多新35TTp熱—機(jī)械效應(yīng)如何解釋？TTp熱—機(jī)械效應(yīng)如何解釋？364He的低溫性質(zhì)4He的低溫相圖4He的臨界點(diǎn)Tc＝5.20K，Pc＝0.28MPa.在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為4.315K．4He的低溫性質(zhì)4He的低溫相圖4He的臨界點(diǎn)Tc＝5.2037氦原子之間的相互作用范得瓦爾斯力所引起的液體勢能曲線固體勢能曲線與零點(diǎn)能之和由于零點(diǎn)能的作用使谷位向右移動(dòng)，增加了原子之間的間距，它的摩爾體積增加了常壓下，為什么液體4He直至絕對零度仍保持液態(tài)？兩者之和零點(diǎn)能氦原子之間的相互作用范得瓦爾斯力所引起的液體勢能曲線固體勢能38低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件390.02T30.1T6.2液體He-II的比熱測量對研究熱激發(fā)的類型是很重要的二級相變0.02T30.1T6.2液體He-II的比熱測量對研究熱激40在液體4He中發(fā)生的超流轉(zhuǎn)變并不是孤立的相變現(xiàn)象．它和氣液臨界點(diǎn)的相變、合金中的有序—無序相變、鐵磁相變、反鐵磁相變和其他二級相變具有共同的特征．在實(shí)驗(yàn)上總結(jié)出了一套規(guī)律：臨界指數(shù)和標(biāo)度律．當(dāng)溫度或其他外參量逼近臨界點(diǎn)(如4He中的T)時(shí)，有序度參量、比熱等以何種速度變化，就以不同的臨界指數(shù)來表示．臨界指數(shù)之間的關(guān)系稱標(biāo)度律.1971年K．G．Wilson用重正化群理論解決了二級相變的問題，由此他在1982年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．理論預(yù)言在飽和蒸汽壓下比熱和溫度的關(guān)系由下式給出其中，t＝|(T/T)-1|，B，A，和D為常數(shù)．在液體4He中發(fā)生的超流轉(zhuǎn)變并不是孤立的相變現(xiàn)象．它和氣液臨41T<TT>T液體4He在相變點(diǎn)附近的比熱這和上述重正化群理論預(yù)言的公式是一致的T<TT>T液體4He在相變點(diǎn)附近的比熱這和上述重正化群42T<TT>TT附近的等壓熱膨脹系數(shù)的測量同樣可以用比熱類似的公式擬合T>TT<TT>TT附近的等壓熱膨脹系數(shù)的測量同樣可以用比熱431940年前后Tisza首先提出液體He-II由正常液體和超流液體兩部分組成，解釋了很多He-II的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)．差不多在同時(shí)，Landau從量子流體力學(xué)角度獨(dú)立地提出了更完善的二流體模型．二流體模型二流體模型假設(shè)液體He-II的行為像兩種自由混雜的流體的混合物．相互之間無粘滯作用，一個(gè)叫正常流體，一個(gè)叫超流體，它們有各自的密度n和s，且n+s=，這里是通常的液體密度．n和s均是溫度的函數(shù)，T＝0K時(shí)，n＝0，s＝;

T=T時(shí)，n＝，s＝0．在0至T之間，隨溫度增加，n增加，s減?。Ｐ陀旨俣ǔ鞑糠植粩y帶熵，不呈現(xiàn)粘滯性和湍性．超流部分的速度vs滿足無旋條件正常流體超流體1940年前后Tisza首先提出液體He-II由正常液體和超44低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件45流體動(dòng)力學(xué)方程由二流體模型的假設(shè)得設(shè)單位體積液氦的動(dòng)量為j，正常流體的速度為vn，超流體的速度為vs，則有連續(xù)性方程假如忽略二次效應(yīng)，作為一級近似，則由于壓強(qiáng)p引起的液氦的速度遵守Euler方程流體動(dòng)力學(xué)方程由二流體模型的假設(shè)得設(shè)單位體積液氦的動(dòng)量為j，46如果忽略上式中的速度二次方項(xiàng)，這在很多實(shí)驗(yàn)中是可以的，那么上述方程可簡化為假定不考慮粘滯性，兩個(gè)流體的運(yùn)動(dòng)是可逆的，因此熵要守恒，得到以下方程其中，S是每克液體的熵，則S為單位體積的熵．如果忽略上式中的速度二次方項(xiàng)，這在很多實(shí)驗(yàn)中是可以的，那么上47尋找超流體的運(yùn)動(dòng)方程內(nèi)能如果體系的體積保持常數(shù)，我們增加超流部分的粒子使其質(zhì)量增加．因dS＝0，所以內(nèi)能的增加僅由質(zhì)量變化引起，dU＝GdM.單位質(zhì)量超流體的勢能應(yīng)是G．這樣超流體的運(yùn)動(dòng)方程可寫成把G看成是vn和vs等于零時(shí)Gibbs函數(shù)．因?qū)ふ页黧w的運(yùn)動(dòng)方程內(nèi)能如果體系的體積保持常數(shù)，我們增加超流48以上七個(gè)方程就是在“線性近似”和忽略粘滯效應(yīng)的情況下流體模型的基本方程．忽略vs的二次項(xiàng)由上面的式子可得以上七個(gè)方程就是在“線性近似”和忽略粘滯效應(yīng)的情況下流體模型49用二流體模型導(dǎo)出這兩個(gè)效應(yīng)（熱-機(jī)械效應(yīng)和機(jī)械-熱效應(yīng)）TTp在平衡情況下，超流無加速度此方程首先是由H．London在1939年導(dǎo)出的，所以也稱London定則用二流體模型導(dǎo)出這兩個(gè)效應(yīng)TTp在平衡情況下，超流無加速度50低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件51超流氦膜流超流氦膜流52低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件532.5正常液體3He的性質(zhì)2.5正常液體3He的性質(zhì)543He的蒸發(fā)潛熱很小，表明它的冷卻能力較弱，因此必須很仔細(xì)地盡可能降低液氦杜瓦的漏熱。4He和

3He的蒸發(fā)潛熱L隨溫度的變化3He的蒸發(fā)潛熱很小，表明它的冷卻能力較弱，因此必須很仔細(xì)55低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件56低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件572.2K以上的熱導(dǎo)率比不銹鋼（銅）差1(4)個(gè)量級。2.2K以下的熱導(dǎo)率比銅大4個(gè)量級。Thermalconductivitiesofgaseousandliquidhelium2.2K以上的熱導(dǎo)率比不銹鋼（銅）差1(4)個(gè)量級。258低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件59低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件60T<0.1KT<0.1K61T<0.03KT<0.03K62低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件633He的相圖bcc3He的相圖bcc64朗道（LevDavidovichLandau,1908-1968）因?qū)δ蹜B(tài)物質(zhì)的開創(chuàng)性研究，特別是創(chuàng)立了液氦的超流動(dòng)性理論，獲得了1962年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。朗道在物質(zhì)凝聚態(tài)方面進(jìn)行過許多繼往開來的基礎(chǔ)性研究工作，有人甚至認(rèn)為，從固體物理學(xué)到凝聚態(tài)物理學(xué)的過渡是從朗道的工作開始的。1941年，朗道創(chuàng)立了液體氦的超流動(dòng)性理論。他用數(shù)學(xué)方法解釋了溫度處于2.17K的液氦為什么會失去粘滯性而無磨擦地流動(dòng)，為什么其熱傳導(dǎo)率比銅在室溫下的熱傳導(dǎo)率還要大800倍的問題。他還預(yù)言，在超流氦中聲音將以兩種不同的速度傳播：一種是大家熟悉的壓力波；另一種就是所謂的“第二聲”，即溫度波。1944年，佩歇科夫?qū)嶒?yàn)證實(shí)了他的這一預(yù)言。LevDavidovichLandau朗道（LevDavidovichLandau,190865低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件66二流體模型的成功在于預(yù)言了He-II中存在熵波或稱第二聲波．這首先是由Tisza在1938年根據(jù)不太滿意的二流體模型得到的，然后Landau在1941年獨(dú)立地預(yù)言了第二聲的存在，并由Peshkov于1944年從實(shí)驗(yàn)上得到了證實(shí)．從二流體模型的運(yùn)動(dòng)方程，我們可以期望得到一個(gè)和普通液體一祥的密度波，即第一聲波．另外還可導(dǎo)出在超流4He中傳播的熵波．第二聲波二流體模型的成功在于預(yù)言了He-II中存在熵波或稱第67溫度波常流里溫度的傳播不是波動(dòng)形式的.超流里溫度以波的形式傳播溫度波68低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件69低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件70朗道從理論上解釋了這種現(xiàn)象，他認(rèn)為當(dāng)溫度在絕對溫度2.17K時(shí)，4He原子發(fā)生玻色愛因斯坦凝聚，成為超流體，而像3He這樣的費(fèi)米子即使在最低能量下也不能發(fā)生凝聚，所以不可能發(fā)生超流動(dòng)現(xiàn)象。金屬的超導(dǎo)理論（BCS理論）的提出使得人們認(rèn)為在極低溫度下3He也可能會形成超流體。但是人們一直未能在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)3He的超流動(dòng)性。20世紀(jì)70年代，戴維·李領(lǐng)導(dǎo)的康奈爾低溫小組首次發(fā)現(xiàn)了3He的超流動(dòng)性，不久，其它的研究小組也證實(shí)了他們的發(fā)現(xiàn)。超流是量子力學(xué)效應(yīng)的宏觀體現(xiàn).通常將量子力學(xué)起主要作用的流體稱為量子流體.朗道從理論上解釋了這種現(xiàn)象，他認(rèn)為當(dāng)溫度在絕對711996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)---發(fā)現(xiàn)氦-3中的超流動(dòng)性

1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國紐約州伊薩卡（Ithaca)康奈爾大學(xué)的戴維.李（DavidLee1931--),美國加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的奧謝羅夫（DouglasD.Osheroff,1945--)和R.C.里查森（RichardCRichardson1937--),以表彰他們發(fā)現(xiàn)了氦-3中的超流動(dòng)性。1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)---發(fā)現(xiàn)氦-3中的超流動(dòng)性722003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——超導(dǎo)和超流體理論研究領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)2003年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予擁有俄羅斯和美國雙重國籍的科學(xué)家阿列克謝?阿布里科索夫、俄羅斯科學(xué)家維塔利?金茨堡以及擁有英國和美國雙重國籍的科學(xué)家安東尼?萊格特,以表彰他們由于在超導(dǎo)和超流體理論研究領(lǐng)域所作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。金茨堡萊格特阿布里科索夫2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——超導(dǎo)和超流體理論研究領(lǐng)域的卓越貢730.1K以下LHe-3的性質(zhì)2.6Landau費(fèi)米液體理論0.1K以下LHe-3的性質(zhì)2.6Landau費(fèi)米液體理論74理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)T=0K時(shí):理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)T=0K時(shí):75理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)(T>0K)理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)(T>0K)76理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)(T>0K)理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)(T>0K)77理想費(fèi)米氣體的輸運(yùn)性質(zhì)(T>0K)理想費(fèi)米氣體的輸運(yùn)性質(zhì)(T>0K)78理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)(T>0K)理想費(fèi)米氣體的性質(zhì)(T>0K)79低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件80

液體He-3的性質(zhì)與理想氣體的性質(zhì)比較,定性上是符合的,但是定量上不符.所以液體He-3在0.1K以下的理論必須在理想費(fèi)米氣體的框架下構(gòu)筑出來.Landau完成了此理論,稱LandauFermi液體理論,此理論在凝聚態(tài)物理中起了非常重要的作用,直至現(xiàn)在.Landau的Fermi液體理論液體He-3的性質(zhì)與理想氣體的性質(zhì)比較,定性上是符合的,但81理論結(jié)果理論結(jié)果82預(yù)冷型林德-漢普森制冷機(jī)及其熱力循環(huán)圖第二章低溫液體預(yù)冷型林德-漢普森制冷機(jī)及其熱力循環(huán)圖第二章低溫液體83低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件84低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件85獲得低溫的一些主要方法獲得低溫的一些主要方法86120K溫度區(qū)：烷、烯、炔等，如：石油氣（主要為戊、己烷）、天然氣（主要為甲烷）80K溫度區(qū)：空氣成分：氧、氮、氬等20K溫區(qū)：氫4K溫區(qū)：氦超低溫區(qū)：3He低溫工質(zhì)的種類120K溫度區(qū)：烷、烯、炔等，如：石油氣（主要為戊、己烷）、87循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì)循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì)88低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件89空氣是由什么組成的空氣含有多種氣體

氮?dú)?/p>

(78%)

氧氣

(21%)稀有氣體其他氣體水蒸氣

二氧化碳（0.94％）（0.03％）（0.03％）體積分?jǐn)?shù)空氣的分離空氣是由什么組成的空氣含有多種氣體氮?dú)?7890低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件91氮是一種無色無味的氣體，比空氣稍輕，難溶于水；氮的化學(xué)性質(zhì)不活潑，通常情況下很難與其它元素直接化合，可用作保護(hù)氣體；在高溫下，氮能夠同氫、氧及某些金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；氮無毒，又不能磁化，其沸點(diǎn)比空氣低，所以液氮是低溫研究中最常用的安全冷卻劑，但需當(dāng)心窒息；液氮也用于氫、氦液化裝置中，作為預(yù)冷；液氮應(yīng)小心儲存，避免同碳?xì)浠衔镩L時(shí)間的接觸，以防止碳?xì)浠衔镞^量溶于其中而引起爆炸；液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氮冷卻到63.2K時(shí)轉(zhuǎn)變成無色透明的結(jié)晶體；液氮的沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)之間的溫差不到15K，因而在用真空泵減壓時(shí)容易使其固化；因固態(tài)氮的密度比液氮大，所以沉降在底部；在大約35.6K時(shí)，固態(tài)氮產(chǎn)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨比熱容的增大。轉(zhuǎn)化熱約為8.2kJ/kg。氮的性質(zhì)2.1液氮氮是一種無色無味的氣體，比空氣稍輕，難溶于水；氮的性質(zhì)2.192低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件93帶尾巴的高真空絕熱金屬杜瓦帶尾巴的高真空絕熱金屬杜瓦94低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件95無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是1.430kg/m3，比空氣略重；氧較難溶解于水；氧的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，它能與很多物質(zhì)（單質(zhì)和化合物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)放出熱量；反應(yīng)劇烈時(shí)還會燃燒發(fā)光；氧與其它大多數(shù)氣體的顯著不同在于具有強(qiáng)的順磁性，且某些氣態(tài)的氧化合物（如一氧化氮）也有順磁性；氧的這一特性已被利用來制作氧磁性分析儀，根據(jù)磁化率的變化可以測出抗磁性氣體混合物中所含微量氧的濃度；由于氧的化學(xué)活性很強(qiáng)，是一種強(qiáng)氧化劑，所以氧同碳?xì)浠衔锘旌鲜呛芪ｋU(xiǎn)的，液氧中存在碳?xì)浠衔锝Y(jié)晶體已不止一次引起過嚴(yán)重的爆炸事故。因此，液氧必須嚴(yán)格避免同各種油脂、潤滑油、炭、木材、瀝青、紡織物品接觸；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧在90.188K時(shí)變?yōu)橐子诹鲃?dòng)的淡藍(lán)色液體；在54.4K時(shí)凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶；液氧和固態(tài)氧的淡藍(lán)色是含有少量的氧聚合物O4而引起的；雖然氧的沸點(diǎn)比氮幾乎高13K，可是它的凝固點(diǎn)卻比氮低約9K；固態(tài)氧的密度大，因此在液氧中下沉；在43.80K和23.89K時(shí)，固態(tài)氧發(fā)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨有轉(zhuǎn)化熱；在40.80K時(shí)轉(zhuǎn)化熱超過溶化熱，約為23.2KJ/Kg；在23.89K時(shí)轉(zhuǎn)化熱只有2.93KJ/Kg。

氧的性質(zhì)無色無味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是1.430kg/m3，比空96精餾塔主要由下塔、上塔

及冷凝蒸發(fā)器組成。冷凝蒸發(fā)器：作用:供氮?dú)饫淠鸵貉跽舭l(fā)用，以維持精餾塔精餾過程的進(jìn)行。

結(jié)構(gòu):為多層板翅式，相鄰?fù)ǖ赖奈锪魍ㄟ^翅片和隔板進(jìn)行良好的換熱。使用方式:冷凝蒸發(fā)器一般置于上、下塔之間，下塔上升的氮?dú)庠谄溟g被冷凝，而上塔回流的液氧在其間被蒸發(fā)。這個(gè)過程得以進(jìn)行，是因?yàn)榈獨(dú)鈮毫Ω撸貉鯄毫Φ?。例如氮?dú)鈮毫?.511MPa時(shí)，液化溫度為94.4K，而液氧在壓力為0.1389MPa時(shí)，蒸發(fā)溫度93.1K，兩者溫差1.3K。這樣，氮?dú)獾睦淠鸵貉醯恼舭l(fā)就可進(jìn)行。各類冷凝蒸發(fā)器都是按此原理進(jìn)行的，只是冷凝和蒸發(fā)的介質(zhì)不同而已。

精餾系統(tǒng)精餾塔主要由下塔、上塔及冷凝蒸發(fā)器組成。冷凝蒸發(fā)器：精餾系97下塔與上塔:作用:利用混合氣體中各組分的沸點(diǎn)不同，將其分離成所要求純度的組分。結(jié)構(gòu):塔體為圓筒形，下塔內(nèi)裝多層篩板，篩板上設(shè)置溢流斗，有一個(gè)溢流擋板，并密布小孔。上塔內(nèi)裝規(guī)整填料及液體分布器。使用方式:下塔精餾過程中，液體自上往下逐一流過每塊篩板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液層高度。當(dāng)氣體由下而上穿過篩板小孔時(shí)與液體接觸，產(chǎn)生了鼓泡,這樣就增加了汽液接觸面積，使熱質(zhì)交換過程高效地進(jìn)行。低沸點(diǎn)組份逐漸蒸發(fā)，高沸點(diǎn)的組份逐漸液化，至塔頂就獲得低沸點(diǎn)的純氮，在塔底獲得高沸點(diǎn)的富氧液空組份。上塔在精餾過程中，氣體穿過分布器沿填料盤上升，液體自上往下通過分布器均勻地分布在填料盤上，在填料表面上氣、液充分接觸進(jìn)行高效的熱質(zhì)交換。上升氣體中低沸點(diǎn)組份(氮)含量不斷提高。高沸點(diǎn)組份(氧)被大量的洗滌下來，形成回流液最終在塔頂?shù)玫降头悬c(diǎn)純氮，塔底得到高沸點(diǎn)的液氧。

精餾系統(tǒng)下塔與上塔:精餾系統(tǒng)98海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品99氫的性質(zhì)最輕的工質(zhì)；無色無味，極難溶于水；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下H2的密度為0.0899kg/m3，是空氣的1/14.38；粘度最低、比熱容最大、熱導(dǎo)率最高；擴(kuò)散能力很強(qiáng)，不僅能穿過極小的空隙，甚至能透過一些金屬，如鈀（Pd）從240℃開始便可以被氫滲透，

易泄漏；氫有三種同位素：原子量為1的氕（符號H）；原子量為2的氘（符號D）和原子量為3的氚（符號T）。氕（通稱氫）和氘（亦稱重氫）是穩(wěn)定的同位素；氚則是一種放射性同位素，半衰期為12.26年。氚放出β射線后轉(zhuǎn)變成3He。氚是極稀有的，在1018個(gè)氫原子中只含有0.4~67個(gè)氚原子，所以自然氫中幾乎全部是氕（H）和氘（D），它們的含量比約為6400：1。不論是那種方法獲得的氫，其中氕的含量高達(dá)99.987%，氘（D）含量的范圍在（0.013~0.016）%之間。事實(shí)上，因?yàn)闅涫请p原子氣體，所以絕大多數(shù)的氘原子都是和氕原子結(jié)合在一起形成氘化氫（HD）。分子狀態(tài)的氘-D2在自然氫中幾乎不存在。因此，普通的氫實(shí)際上是H2和HD的混合物，HD在混合物里的數(shù)量在(0.026~0.032）%之間。2.2液氫氫的性質(zhì)最輕的工質(zhì)；無色無味，極難溶于水；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下H2的密100由雙原子構(gòu)成的氫分子H2內(nèi)，由于兩個(gè)氫原子核自旋方向的不同，故存在著正、仲兩種形狀。正氫（o－H2）的原子核自旋方向相同，仲氫（p－H2）的原子核自旋方向相反。正、仲態(tài)的平衡組成與溫度有關(guān)。氫氣在氧或空氣中燃燒時(shí)產(chǎn)生幾乎無色的火焰（若氫中不含雜質(zhì)）,其傳播速度很快，達(dá)2.7m/s；著火能很低，為0.2mJ。在大氣壓力及293K時(shí)氫氣與空氣混合物的燃燒體積分?jǐn)?shù)范圍是（4~75）%（以體積計(jì)）；當(dāng)混合物中氫的體積分?jǐn)?shù)為（18~65）%時(shí)特別容易引起爆炸。氫是一種易燃易爆物質(zhì)；因此進(jìn)行液氫操作時(shí)需要特別小心。而且應(yīng)對液氫純度進(jìn)行嚴(yán)格的控制與檢測。轉(zhuǎn)化溫度很低，約204K。必須把氫預(yù)冷到此溫度以下再節(jié)流方能產(chǎn)生冷效應(yīng)。氫不僅在低溫技術(shù)中可以用作工質(zhì)，或者液化之后可作為低溫冷卻劑，而且氫還是比較理想的清潔能源。在火箭技術(shù)中氫被作為推進(jìn)劑，同時(shí)利用氫為原料還可以產(chǎn)生重氫，以滿足核動(dòng)力的需要。由雙原子構(gòu)成的氫分子H2內(nèi)，由于兩個(gè)氫原子核自旋方向的不同，101氦氣制冷的氫液化系統(tǒng)氦氣制冷的氫液化系統(tǒng)102氦（Helium）為稀有氣體的一種。在自然界，存在著3He和4He兩種同位素。4He的原子核有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，稱為玻色子；而3He只有一個(gè)中子，稱為費(fèi)米子。

氦的應(yīng)用主要是作為保護(hù)氣體、氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體和超低溫冷凍劑。2.3正常液體4He的性質(zhì)量子流體——液氦氦（Helium）為稀有氣體的一種。在自然界，103氦（Helium)氦是由原子量為4.003的4He和3.016的3He兩種穩(wěn)定同位素氦在空氣中的含量僅5.24ppm，氦生產(chǎn)主要從天然氣中提取。氦中3He的含量約占1／107～1／106。通常指的是4He氦氣無色、無味，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。臨界溫度很低，是自然界中最難液化的氣體；4He的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)是4.224K，3He是3.191K。高比熱、高導(dǎo)熱率及低密度方面僅次于氫，是一種極好的低溫制冷劑零點(diǎn)能大，在壓力低于25atm，溫度接近0K時(shí)仍保持液態(tài)液氦4He是一種容易流動(dòng)的無色液體，表面張力極小，折射率(1.02)和氣體差不多，因此氦液面不易看見液氦的氣化潛熱比其它液化氣體小得多，1atm下4He為20.8kJ／kg，3He為8.5kJ／kg，極易氣化，需絕熱良好的容器來貯存氦（Helium)氦是由原子量為4.003的4He和3.01104液化氣體的理論最小功(初始點(diǎn)P=101.3kPa，T=300K)

氣體名稱沸點(diǎn)(K)理論最小功(kJ/kg)氦－33.198178氦－44.216819氫20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空氣78.8738.9一氧化碳81.6768.6氬87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.1液化氣體的理論最小功氣體名稱沸點(diǎn)(K)理論最小功(kJ/kg105考林斯氦液化系統(tǒng)考林斯氦液化系統(tǒng)106HeikeKamerlinghOnnes是1908年第一個(gè)得到液氦的科學(xué)家。他并不滿足，還想使溫度進(jìn)一步降低，以得到固態(tài)氦。他沒有成功（固態(tài)氦是1926年基索姆用降低溫度和增大壓力的方法首先得到的），卻得到了一個(gè)沒有預(yù)料到的結(jié)果。對于一般液體來說，隨著溫度降低，密度會逐漸增加。Onnes使液態(tài)氦的溫度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，當(dāng)溫度下降到零下271℃的時(shí)候，怪事出現(xiàn)了，液態(tài)氦突然停止起泡，變成像水晶一樣的透明，一動(dòng)也不動(dòng)，好像一潭死水，而密度突然又減小了。這是另一種液態(tài)氦。Onnes把前一種冒泡的液態(tài)氦叫做氦Ⅰ，而把后一種靜止的液態(tài)氦做氦Ⅱ。液體4He的密度-溫度關(guān)系2.17KHeikeKamerlinghOnnes是190107低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件108低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件109動(dòng)力粘度飽和態(tài)HeI，除在λ點(diǎn)附近外，動(dòng)力粘度基本保持0.0035Pa.s在飽和壓力以上，當(dāng)密度小時(shí)，動(dòng)力粘度隨溫度減小而減??；當(dāng)密度大時(shí)，隨溫度減小而增大；接近λ線時(shí)顯著減小HeII粘度極小，用毛細(xì)管流法已難以測定動(dòng)力粘度飽和態(tài)HeI，除在λ點(diǎn)附近外，動(dòng)力粘度基本保持0.110低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件111在飽和壓力以上，HeI導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小，隨溫度升高而增大在λ相變溫度以下，HeII具有超強(qiáng)導(dǎo)熱性，比銀的導(dǎo)熱性還好，其導(dǎo)熱規(guī)律已不能用傅立葉定律說明，蒸發(fā)只在液體表面進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)氣體動(dòng)力學(xué)理論給出熱導(dǎo)率K、粘滯系數(shù)和定容比熱cv的關(guān)系為Kcv＝2.5此關(guān)系對液體He-I也近似成立．在飽和壓力以上，HeI導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小，隨溫度升高而增112液體4He的介電常數(shù)-溫度關(guān)系液體4He的膨脹系數(shù)-溫度關(guān)系液體4He的介電常數(shù)-溫度關(guān)系液體4He的膨脹系數(shù)-溫度關(guān)系113液體4He的比熱和膨脹系數(shù)在相變點(diǎn)附近的精確測量對二級相變理論的發(fā)展起了重要的作用液體4He的比熱-溫度關(guān)系通常把相變點(diǎn)的溫度稱為T，當(dāng)T＞T

，稱液體He-I；

當(dāng)T＜T

，稱液體He-II。液體4He的比熱和膨脹系數(shù)在相變點(diǎn)附近的精確測量對二級相變理114PyotrL.Kapitsa，1894—19841978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予蘇聯(lián)莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)家學(xué)院的卡皮查(PyotrL.Kapitsa,1894-1984),以表彰他在低溫物理學(xué)領(lǐng)域的基本發(fā)明和發(fā)現(xiàn).1937年發(fā)現(xiàn)氦的超流現(xiàn)象2.4液體4He的超流相和噴泉現(xiàn)象PyotrL.Kapitsa，1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一11520年代30年代末期，卡皮查發(fā)現(xiàn)把一個(gè)小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是過了一會，杯底出現(xiàn)了液態(tài)氦，慢慢地漲到跟杯子外面的液態(tài)氦一樣平為止。把這個(gè)盛著液態(tài)氦的小玻璃杯提出來，掛在半空。看，玻璃杯底下出現(xiàn)了液氦，一滴，兩滴，三滴……不一會，杯中的液態(tài)氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎？不，玻璃杯一點(diǎn)也不漏。這是怎么回事呢？原來氦Ⅱ是能夠倒流的，它會沿著玻璃杯的壁爬進(jìn)去又爬出來。這是在我們?nèi)粘Ｉ钪袥]有碰到過的現(xiàn)象，只有在低溫世界才會發(fā)生。這種現(xiàn)象叫做“超流動(dòng)性”(Superfluidity)，具有“超流動(dòng)性”的氦Ⅱ叫做超流體(Superfluid)。20年代30年代末期，卡皮查發(fā)現(xiàn)把一個(gè)小玻璃116后來，許多科學(xué)家研究了這種怪現(xiàn)象，又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。其中最有趣的是1938年阿蘭等人發(fā)現(xiàn)的氦II噴泉。在一根玻璃管里，裝著很細(xì)的金剛砂，上端接出來一根細(xì)的噴嘴。將這玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，細(xì)噴嘴就會噴出氦Ⅱ的噴泉，光越強(qiáng)噴得越高，可以高達(dá)數(shù)厘米。氦Ⅱ噴泉也是超流體的特殊性質(zhì)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，光能直接變成了機(jī)械能。氦Ⅱ噴泉效應(yīng)如何解釋？后來，許多科學(xué)家研究了這種怪現(xiàn)象，又有了許多新117TTp熱—機(jī)械效應(yīng)如何解釋？TTp熱—機(jī)械效應(yīng)如何解釋？1184He的低溫性質(zhì)4He的低溫相圖4He的臨界點(diǎn)Tc＝5.20K，Pc＝0.28MPa.在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為4.315K．4He的低溫性質(zhì)4He的低溫相圖4He的臨界點(diǎn)Tc＝5.20119氦原子之間的相互作用范得瓦爾斯力所引起的液體勢能曲線固體勢能曲線與零點(diǎn)能之和由于零點(diǎn)能的作用使谷位向右移動(dòng)，增加了原子之間的間距，它的摩爾體積增加了常壓下，為什么液體4He直至絕對零度仍保持液態(tài)？兩者之和零點(diǎn)能氦原子之間的相互作用范得瓦爾斯力所引起的液體勢能曲線固體勢能120低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件1210.02T30.1T6.2液體He-II的比熱測量對研究熱激發(fā)的類型是很重要的二級相變0.02T30.1T6.2液體He-II的比熱測量對研究熱激122在液體4He中發(fā)生的超流轉(zhuǎn)變并不是孤立的相變現(xiàn)象．它和氣液臨界點(diǎn)的相變、合金中的有序—無序相變、鐵磁相變、反鐵磁相變和其他二級相變具有共同的特征．在實(shí)驗(yàn)上總結(jié)出了一套規(guī)律：臨界指數(shù)和標(biāo)度律．當(dāng)溫度或其他外參量逼近臨界點(diǎn)(如4He中的T)時(shí)，有序度參量、比熱等以何種速度變化，就以不同的臨界指數(shù)來表示．臨界指數(shù)之間的關(guān)系稱標(biāo)度律.1971年K．G．Wilson用重正化群理論解決了二級相變的問題，由此他在1982年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．理論預(yù)言在飽和蒸汽壓下比熱和溫度的關(guān)系由下式給出其中，t＝|(T/T)-1|，B，A，和D為常數(shù)．在液體4He中發(fā)生的超流轉(zhuǎn)變并不是孤立的相變現(xiàn)象．它和氣液臨123T<TT>T液體4He在相變點(diǎn)附近的比熱這和上述重正化群理論預(yù)言的公式是一致的T<TT>T液體4He在相變點(diǎn)附近的比熱這和上述重正化群124T<TT>TT附近的等壓熱膨脹系數(shù)的測量同樣可以用比熱類似的公式擬合T>TT<TT>TT附近的等壓熱膨脹系數(shù)的測量同樣可以用比熱1251940年前后Tisza首先提出液體He-II由正常液體和超流液體兩部分組成，解釋了很多He-II的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)．差不多在同時(shí)，Landau從量子流體力學(xué)角度獨(dú)立地提出了更完善的二流體模型．二流體模型二流體模型假設(shè)液體He-II的行為像兩種自由混雜的流體的混合物．相互之間無粘滯作用，一個(gè)叫正常流體，一個(gè)叫超流體，它們有各自的密度n和s，且n+s=，這里是通常的液體密度．n和s均是溫度的函數(shù)，T＝0K時(shí)，n＝0，s＝;

T=T時(shí)，n＝，s＝0．在0至T之間，隨溫度增加，n增加，s減?。Ｐ陀旨俣ǔ鞑糠植粩y帶熵，不呈現(xiàn)粘滯性和湍性．超流部分的速度vs滿足無旋條件正常流體超流體1940年前后Tisza首先提出液體He-II由正常液體和超126低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件127流體動(dòng)力學(xué)方程由二流體模型的假設(shè)得設(shè)單位體積液氦的動(dòng)量為j，正常流體的速度為vn，超流體的速度為vs，則有連續(xù)性方程假如忽略二次效應(yīng)，作為一級近似，則由于壓強(qiáng)p引起的液氦的速度遵守Euler方程流體動(dòng)力學(xué)方程由二流體模型的假設(shè)得設(shè)單位體積液氦的動(dòng)量為j，128如果忽略上式中的速度二次方項(xiàng)，這在很多實(shí)驗(yàn)中是可以的，那么上述方程可簡化為假定不考慮粘滯性，兩個(gè)流體的運(yùn)動(dòng)是可逆的，因此熵要守恒，得到以下方程其中，S是每克液體的熵，則S為單位體積的熵．如果忽略上式中的速度二次方項(xiàng)，這在很多實(shí)驗(yàn)中是可以的，那么上129尋找超流體的運(yùn)動(dòng)方程內(nèi)能如果體系的體積保持常數(shù)，我們增加超流部分的粒子使其質(zhì)量增加．因dS＝0，所以內(nèi)能的增加僅由質(zhì)量變化引起，dU＝GdM.單位質(zhì)量超流體的勢能應(yīng)是G．這樣超流體的運(yùn)動(dòng)方程可寫成把G看成是vn和vs等于零時(shí)Gibbs函數(shù)．因?qū)ふ页黧w的運(yùn)動(dòng)方程內(nèi)能如果體系的體積保持常數(shù)，我們增加超流130以上七個(gè)方程就是在“線性近似”和忽略粘滯效應(yīng)的情況下流體模型的基本方程．忽略vs的二次項(xiàng)由上面的式子可得以上七個(gè)方程就是在“線性近似”和忽略粘滯效應(yīng)的情況下流體模型131用二流體模型導(dǎo)出這兩個(gè)效應(yīng)（熱-機(jī)械效應(yīng)和機(jī)械-熱效應(yīng)）TTp在平衡情況下，超流無加速度此方程首先是由H．London在1939年導(dǎo)出的，所以也稱London定則用二流體模型導(dǎo)出這兩個(gè)效應(yīng)TTp在平衡情況下，超流無加速度132低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件133超流氦膜流超流氦膜流134低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件1352.5正常液體3He的性質(zhì)2.5正常液體3He的性質(zhì)1363He的蒸發(fā)潛熱很小，表明它的冷卻能力較弱，因此必須很仔細(xì)地盡可能降低液氦杜瓦的漏熱。4He和

3He的蒸發(fā)潛熱L隨溫度的變化3He的蒸發(fā)潛熱很小，表明它的冷卻能力較弱，因此必須很仔細(xì)137低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件138低溫物理與技術(shù)-第2章-低溫液體課件1392.2K以上的熱導(dǎo)率比不銹鋼（銅）差1(4)個(gè)量級。2.2K以下的熱導(dǎo)率比銅大4個(gè)量級。Thermalconductivitiesofgaseousandliquidhelium2.2K以上的熱導(dǎo)率比不銹鋼（銅）差