POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych Opracowała: Joanna Pałdyna W ramach przedmiotu: Techniki niskotemperaturowe w medycynie Kierunek studiów: Inżynieria mechaniczno-medyczna Studia stacjonarne II stopnia Gdańsk, 11.01.2013
Spis treści 1. Hel i jego izotopy 2. Temperatury kriogeniczne 3. Specyficzne własności helu 4. Zastosowanie izotopów helu 5. Podsumowanie 6. Literatura
1. Hel i jego izotopy Hel i wodór pojedynczo otwierają układ okresowy pierwiastków. Hel należy do grupy gazów szlachetnych, chemicznie biernych, nietworzących związków z innymi pierwiastkami. Zaraz po wodorze, jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Stężenie tlenu w powietrzu jest niższe od 0,001%, dlatego przy obecnej technologii jego odzysk z powietrza nie jest opłacalny. W większym stężeniu hel występuje w złożach gazu ziemnego, szczególnie w tych zasobnych w azot. Jedną z najważniejszych własności helu, pod względem zastosowań w technice jest jego bardzo niska temperatura skraplania pod ciśnieniem normalnym (4,2K). Ze wszystkich znanych nam substancji jest to najniższa temperatura. Ponadto w temperaturach dążących do zera, hel nie zestala się, pod warunkiem, że nie jest poddany działaniu wysokich ciśnień. Hel jest jedyną substancją charakteryzującą się niższą temperaturą wrzenia niż temperatura wrzenia wodoru, a jego cząsteczka jest najmniejszą ze wszystkich znanych nam molekuł. W przyrodzie występuję dwa stabilne izotopy helu: 4 He i 3 He. Hel trójwartościowy jest całkowicie sztucznie pozyskiwany. Powstaje w wyniku rozpadu litu bombardowanego neutronami, dlatego też w zastosowaniach technicznych praktycznie nie występuje. Hel czterowartościowy różni się od 3 He ilością neutronów w jądrze i jest szerzej rozpowszechniony. Powstaje w wyniku niskotemperaturowej rektyfikacji. W poniższej tabeli porównano wybrane właściwości obu izotopów helu. 3 He 4 He Temperatura wrzenia [K] 3,19 4,21 Temperatura krytyczna [K] 3,32 5,20 Gęstość [g/cm 3 ] 0,082 0,1451 Współczynnik ekspansji 662 749 2. Temperatury kriogeniczne Aby przejść do wyjątkowych własności helu, musimy przenieść się do temperatur niższych. Możemy wprowadzić pojęcie kriogeniki. Zajmuje się ona określeniem metod uzyskiwania i wytwarzania temperatur poniżej 111,1 K, czyli temperatury wrzenia metanu pod normalnym ciśnieniem.
W bardzo niskich temperaturach zachodzą zjawiska, które nie występują w temperaturze otoczenia, a ciała pozyskują nowe własności. Wykres fazowy dla 4 He Wykres fazowy dla 3 He Powyżej przedstawiono dwa wykresy fazowe obu izotopów helu. Linie cieczpara oraz ciecz-ciało stałe są połączone linią λ, odgraniczającą od siebie dwie postaci helu. Hel I, który przedstawia zwykły hel, obdarzony lepkością oraz charakteryzujący się niewielką przewodnością cieplną, oraz Hel II. Ten drugi jest inaczej nazywany helem nadciekłym. W tym stanie pozbawiony jest lepkości i charakteryzuje się bardzo dużą przewodnością cieplną ( 1000 razy większą od miedzi). Jak można zaobserwować na wykresach, 4 He przechodzi w stan nadciekły w zakresie temperatur 2,17-1,77 K, a 3 He już wartościach rzędu kilku mk.
3. Specyficzne własności helu W temperaturach kriogenicznych nadciekły hel uzyskuje następujące własności: a) bardzo duża przewodność cieplna: umożliwiająca przenoszenie dużych strumieni ciepła przy znikomych gradientach temperatur, b) bardzo małe ciepło parowania- wraz z ciśnieniem par helu określają przydatność cieczy do chłodzenia, c) bardzo duże ciepło właściwe: bardzo duże w porównaniu z innymi ciałami, d) występowanie efektu Pomerańczuka: ciecz przechodzi w ciało stałe pobierając ciepło, e) nadciekłość: w temperaturze poniżej 2,17 hel II wykazuje znikomą lepkość oraz bardzo dużą przewodność cieplną, obserwujemy zjawisko wspinania się po ściankach naczynia[rys 3.1.] f) nadprzewodnictwo: czyli całkowity zanik oporu elektrycznego próbki, co daje nam możliwość obserwacji lewitującego przedmiotu nad nadprzewodnikiem schłodzonym poniżej temperatury przejścia [rys. 3.2.]. Rys. 3.1. Rys. 3.2. 4. Zastosowanie Poniżej podano kilka przykładów zastosowania helu wraz z jego unikalnymi własnościami: Do ziębienia niskotemperaturowych nadprzewodnikach znajduje zastosowanie w akceleratorach cząstek, detektorach SQUID, urządzeniach NMR, nadprzewodnikowych separatorach, do produkcji nadprzewodników, do uzyskiwania temperatur znacznie niższych od 1 K w chłodziarkach rozcieńczalnikowych oraz w chłodziarkach wykorzystujących efekt Pomerańczuka, w instalacjach kriogenicznych służących do kriostatowania maszyn i urządzeń wykonanych z nadprzewodników, szczególnie magnesów wykorzystywanych w tomografach MRI,
do kriostatowania wysokopolowych magnesów oraz wnęk rezonansowych o wysokich częstotliwościach, np. w akceleratorach cząstek. 5. Podsumowanie Kriogenika helowa rozwija się już od lat 50-tych XX wieku. Biorąc pod uwagę omówione obszary zastosowań helu oraz nowe technologie, które mogą zacząć wykorzystywać hel, przewiduje się, że w ciągu najbliższych dziesięciu lat zużycie helu będzie wzrastało o 5 do 6% rocznie. Nie wydaje się, żeby hel w ciągu najbliższych lat stracił zainteresowanie naukowców, a wręcz przeciwnie, w niektórych przypadkach dalej będzie on niezastąpiony. Bibliografia: M. Chorowski Kriogenika podstawy i zastosowanie Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Zakład Chłodnictwa i Kriogeniki, LABORATORIUM Z KRIOGENIKI M. Chorowski Ciecze kriogeniczne i zasady bezpiecznego ich użytkowania M. Chorowski Produkcja i zastosowanie helu www.wikipedia.pl