Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Inżynieria Mechaniczno Medyczna Techniki niskotemperaturowe w medycynie SPECYFICZNE WŁASNOŚCI HELU W TEMPERATURACH KRIOGENICZNYCH Opracowała: Eliza Bisewska
Spis treści 1. WSTĘP... 2 2. IZOTOPY HELU... 2 3. ZJAWISKO MECHANOKALORYCZNE... 4 4. NADPŁYNNOŚĆ... 4 5. DWUPŁYNOWY MODEL TISZY. FONTANNA HELOWA... 5 6. ROZCIEŃCZANIE 3He W 4He... 5 7. EFEKT POMERAŃCZUKA... 6 8. ZASTOSOWANIE CIEKŁEGO HELU... 7 9. BIBLIOGRAFIA... 8 1
1. WSTĘP Kriogenika jest dziedziną nauki badającą i wykorzystującą specyficzne własności ciał w bardzo niskich temperaturach. Przedział temperatur kriogenicznych nie jest ściśle określony, przyjmuje się jednak jako temperatury poniżej 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. W 1908 roku Heike Kamerlingh - Onnes po raz pierwszy skroplił hel wykorzystując proces izentalpowego dławienia poprzedzony schłodzeniem sprężonego helu. Uzyskał w ten sposób najniższą wówczas temperaturę na świecie, równą 4,2 K [2,10]. 2. IZOTOPY HELU W przyrodzie występują dwa stałe izotopy helu: 4He oraz 3He. Bardziej rozpowszechniony jest izotop 4He, podczas gdy 3He spotykamy w śladowych ilościach. Oba izotopy przechodzą w stan nadciekłości, odbywa się to jednak w odmiennych temperaturach: dla 4He jest to temperatura 2,18 K, dla 3He wynosi ona zaledwie 0,003 K. Różnica ta wynika z odmiennych własności kwantowych. Wykresy fazowe izotopów zostały przedstawione na rysunkach 1 i 2. Charakterystyczne dla wykresów jest brak punktu potrójnego, zatem trzy fazy nie mogą współistnieć. Gaz nie zestala się nawet przy temperaturach zbliżonych do temperatury zera bezwzględnego przy ciśnieniu poniżej 2,5 MPa. Dzieje się tak ze względu na słabe oddziaływania molekularne oraz małą masę atomów. Linia przejścia λ na wykresie oddziela dwie postacie ciekłego helu [1,4]: hel I ciecz normalna, posiadająca lepkość, charakteryzująca się niewielką przewodnością cieplną; hel II postać nadciekła, charakteryzująca się znikomą lepkością oraz bardzo dużą przewodnością cieplną ok. 1000 razy większą od przewodności miedzi beztlenowej (dla tej samej temperatury). Rys. 1 Wykres fazowy izotopu 4He [2]. Rys. 2 Wykres fazowy izotopu 3He [2]. 2
W temperaturze przejścia helu w stan nadciekłości (T=2,18K) ciepło właściwe wykazuje ostre maksimum [2]. temperatury. Na rysunku 3 przedstawiono wykres zależności ciepła właściwego helu od Rys. 3 Wykres zależności ciepła właściwego w temperaturze w pobliżu 2K [2]. Ciekły hel cechuje najniższa temperatura wrzenia spośród wszystkich substancji (4,2K). Obniżanie ciśnienia ciekłego helu skutkuje spadkiem jego temperatury. Różnica temperatur powoduje wrzenie cieczy jedynie do pewnego momentu osiągnięcia przez ciecz temperatury poniżej 2,18 K. Gwałtowne ustanie wrzenia wiąże się z przemianą fazową drugiego rodzaju i przejściem w stan nadciekły [5]. Zjawisko obrazuje rysunek 4. W tabeli 1 zestawiono najbardziej charakterystyczne punkty występujące na wykresach fazowych izotopów 3He oraz 4He. Rys. 4 Poniżej temp. 2,18 K gwałtownie wrzący ciekły hel (rysunek po lewej) nagle się uspokaja (rysunek po prawej) [5]. Tab. 1 Najbardziej charakterystyczne punkty na wykresach fazowych izotopów helu [1]. Charakterystyczne punkty 4He 3He T [K] P [MPa] T[K] P [MPa] Punkt krytyczny 5,2 0,2275 3,32 0,1165 Punkt wrzenia pod ciśnieniem normalnym 4,2 0,1013 3,191 0,1013 Punkt λ dolny 2,172 0,005 0,003-3
3. ZJAWISKO MECHANOKALORYCZNE Zjawiskiem występującym w helu nadciekłym, a więc w temperaturze poniżej 2,18 K jest tzw. zjawisko mechanokaloryczne. Ciecz, przepływając przez przegrodę zbudowaną z wąskich kanalików, obniża swoją temperaturę w części naczynia do którego wpływa, natomiast w części naczynia, z którego ciecz wypływa następuje wzrost temperatury. Kierunek przepływ ciepła w naczyniu posiada więc zwrot przeciwny do kierunku przepływu cieczy [7]. Zjawisko ilustruje rysunek 5. Rys. 5 Schemat efektu mechanokalorycznego [11]. 4. NADPŁYNNOŚĆ Kolejną niezwykłą cechą helu w temperaturach poniżej 2,18 K jest nadpłynność. Jest to stan materii charakteryzujący się znikomą lepkością. Dwa naczynia z helem II spontanicznie dążą do wyrównania swoich poziomów cieczy wraz z upływem czasu (rysunek 6). Dzieje się tak na skutek wspinania po ściankach naczyń cieniutkiej warstewki helu o grubości 300 nm. Innym przejawem nadpłynności jest przepływ helu II przez bardzo małe otwory i ubite proszki praktycznie bez tarcia. Dla porównania lepkość ciekłego helu II przepływającego przez małe otwory jest równa 1/100 000 lepkości gazowego wodoru [3,6]. Rys. 6 Nadpłynność helu [3]. 4
5. DWUPŁYNOWY MODEL TISZY. FONTANNA HELOWA Próbę wytłumaczenia zjawiska nadciekłości podjął węgierski uczony Laszlo Tisza. Przedstawił on hel II jako mieszaninę dwóch płynów: składowej normalnej oraz składowej nadciekłej. Składowa nadciekła poza lepkością praktycznie równą zeru, posiada także zerową entropię. Składowa normalna obdarzona jest zarówno lepkością, jak i entropią. Teoria dwupłynowej cieczy przewiduje także tzw. drugi dźwięk zmiany temperatury ciekłego helu II rozchodzą się jak fala. Prędkość fali osiąga maksimum w temp. 1,7K i wynosi ok. 20,46 m/s. Model ten pozwala też zrozumieć mechanizm efektu fontannowego, zachodzącego w butelce z nadciekłym helem, od dołu zamkniętego porowatą zatyczką oraz umieszczonej w większym pojemniku z ciekłym helem. Dostarczenie porcji ciepła do butelki, np. przez zastosowanie grzałki jak na rysunku 7, spowoduje zamianę składowej nadciekłej w składową normalną. Niedomiar składowej nadciekłej w butelce wymusi jej napływ przez pory zatyczki z większego pojemnika z helem. Do butelki napływa jedynie składowa nadciekła, gdyż tylko ona pozbawiona jest lepkości. W efekcie, w mniejszym naczyniu powstanie nadciśnienie, które wypchnie ciecz helu przez szyjkę butelki w sposób przypominający fontannę. Efekt ten wykorzystywany jest w pompach nadciekłego helu [1,4,5,12]. Rys. 7 Ilustracja oraz schemat efektu fontannowego [5,8]. 6. ROZCIEŃCZANIE 3He W 4He Czynnikiem roboczym wykorzystywanym w chłodziarkach rozcieńczalnikowych jest mieszanina izotopów 3He oraz 4He. Roztwór ten rozdziela się spontanicznie po osiągnięciu temperatury poniżej 0,872 K na dwie fazy: fazę bogatą w 3He oraz fazę ubogą w 3He (bogatą w 4He), będącą w stanie nadciekłym. Dalsze obniżanie temperatury mieszaniny powoduje, że faza 5
bogata w 3He dodatkowo wzbogaci się w ten izotop, natomiast w fazie nadciekłej wzrośnie koncentracja 4He. Przykładowo, w temperaturze 0,1 K w fazie nadciekłej stężenie 3He wynosi ok. 7%, w fazie bogatej ok. 99,97%. Rozcieńczanie 3He w 4He przypomina rozprężanie 3He w próżni, gdyż entropia 4He w temperaturze poniżej 1K jest praktycznie zerowa. Proces rozdzielenia faz przedstawia rysunek 8 [1,9]. Rys. 8 Wykres fazowy mieszaniny 3He - 4He [9]. Punkt 1 stan początkowy mieszaniny; 1-2 : spadek temperatury poniżej 0,872 K powoduje rozdział faz na: fazę ubogą w 3He (2 ) oraz fazę bogatą w 3He (2 ); 2-3 : wzrost koncentracji 3He w wyniku dalszego oziębiania roztworu; 2 3: spadek stężenia 3He w fazie nadciekłej. 7. EFEKT POMERAŃCZUKA Efekt Pomerańczuka polega na adiabatycznym, częściowym zestaleniu 3He wzdłuż linii topnienia. Wzrost ciśnienia zgodnie z tą linią skutkuje obniżeniem temperatury. Sumaryczna entropia fazy ciekłej i stałej pozostaje stała. Charakterystyczny przebieg linii topnienia przedstawia rysunek 9. Uzyskanie końcowej temperatury 3 mk z temperatury początkowej 25 mk wiąże się z zestaleniem 20 % początkowej ilości helu. Efekt Pomerańczuka znajduje zastosowanie w budowie chłodziarek uzyskujących bardzo niskie temperatury rzędu 1-2 mk. Niezbędne jest jednak wcześniejsze oziębienie ciekłego 3He do temperatury poniżej 320 mk (minimum krzywej topnienia) np. wykorzystując chłodziarkę rozcieńczalnikową [1,3]. 6
ciało stałe ciecz 8. ZASTOSOWANIE CIEKŁEGO HELU Rys. 9 Linia topnienia 3He w temperaturach kriogenicznych [3]. Ciekły hel ze względu na swoje specyficzne własności znajduje zastosowanie m.in. do [1]: kriostatowania nadprzewodników np. w detektorach NMR; kriostatowanie magnesów w technice diagnostycznej MRI; kriostatowanie wnęk rezonansowych np. w akceleratorach cząstek; płukania instalacji wykorzystujących ciekły wodór; chłodzenia wiązki światłowodowej w produkcji światłowodów; uzyskiwanie temperatur poniżej 1K. 7
9. BIBLIOGRAFIA [1] Chorowski M., KRIOGENIKA. Podstawy i zastosowania [2] Turski Ł. A., Zimno i tłoczno, Wiedza i Życie nr 7/1997 [3] Chalmers University of Technology, wykład 11: Helium 4, wykład 16: Refrigeration below 1K [4] Szwabiński J., 95 lat ciekłego helu, mat. wykładowe [5] Okopińska A., Własności materii w niskich temperaturach, Instytut Fizyki UJK, mat. wykładowe [6] SGSP, Materiały wykładowe [7] Encyklopedia PWN [8] Wikipedia, Superfluid Helium 4 [9] www.portalnaukowy.edu.pl [10] www.hvacr.pl/kriogenika-w-zastosowaniach-przemyslowych-medycznych-i-badawczych [11] http://www.angelfire.com/scifi2/zpt/images/mechno.gif [12] http://prola.aps.org/abstract/pr/v71/i9/p600_1 8