Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

Теперь, имея картину движения гелия в капилляре, вызванную тепловым потоком и установленную, как мы видели,

чисто экспериментально, мы могли приступить к выводам нашего исследования, ведущим к объяснению процесса колоссальной теплопроводности.

Мы имеем основания предположить, что гелий, в тонкой пленке двигающийся по поверхности, отличается по своему физическому состоянию от того, который течет в обратном направлении в центральной части капилляра. Благодаря молекулярным силам от стенок капилляра мы принимаем, что он находится в несколько другом энергетическом состоянии. Говоря языком термодинамики, у него другая тепловая функция, чем у свободного гелия.

Оказывается, этого предположения, по-видимому, вполне достаточно, чтобы объяснить большую теплопередачу гелия, которая наблюдалась в капилляре. Наблюдаемая при опыте картина такова: когда гелий по внутренней поверхности капилляра втекает в бульбочку и, покидая поверхность, переходит в свободное состояние, он поглощает тепло. Этот процесс и создает впечатление колоссальной теплопроводности. Поясним это примером.

Если мы хотим произвести охлаждение и будем пользоваться для этого струей холодной воды при 0° С, либо используем лед при той же температуре, то мы увидим, что во втором случае за счет скрытой теплоты таяния происходит более энергичное охлаждение, чем при пользовании просто водой. Охлаждение в нагревающейся бульбочке и напоминает нам охлаждение тающим льдом. Гелий, попадающий сюда по поверхности, оставляя стенки, переходит в другое энергетическое состояние, и при этом он поглощает тепло, которое создается нагревателем. Основываясь на такой картине, можно показать, что теплопередача становится как количественно, так и качественно вполне объяснимой, и никакой сверхтеплопроводности в гелии-II не существует [ 4 ] Выдвинутое на основе описанных экспериментов представление о течении гелия в одном физическом состоянии внутри жидкости навстречу тонкой пленке жидкости, находящейся в другом физическом состоянии, послужило основанием для построения Л. Д. Ландау квантовой теории сверхтекучести. Согласно этой теории жидкий гелий представляет собой как бы смесь двух жидкостей (двух компонент), находящихся в различных квантовых состояниях. Квантовая теория позволила объяснить, что наблюдаемые на опыте противотоки есть встречное движение во всем объеме жидкости этих двух компонент. .

Дальнейшая проверка предложенной нами теплопередачи в гелии-II в капилляре была произведена измерением его теплопроводности не в трубочке, а в свободном объеме. Таким путем мы мерили теплопроводность в условиях, когда исключалась возможность переноса тепла движением пленки. В этих опытах, например, бралась стеклянная трубка с нагревателем и термометром внутри. Она свободно подвешивалась в гелии-II на очень тонких проводниках. Пленки гелия-II от холодных частей к более теплым могли, очевидно, проползти только по этим проводникам, но так как эти проводники имеют очень малую поверхность, то только очень малая часть тепла могла быть перенесена движением пленки по их поверхности. Поэтому главная часть тепла должна была проходить через массу самого жидкого гелия. Меряя в этих опытах теплопроводность свободного гелия, как и следовало ожидать согласно нашей картине, мы получаем для нее нормальное значение, т. е. она оказывается не больше, чем у гелия-I, т. е. примерно в 100000 раз меньше, чем у меди [ 5 ] Наши дальнейшие исследования теплопередачи от нагретого тела в свободный гелий-II показали, что все теплосопротивление в этом случае сосредоточено в чрезвычайно тонком пристенном слое. В этом слое возникает скачок температуры, величина которого растет с понижением температуры обратно пропорционально третьей степени температуры. Это явление сильно затрудняет проведение физических исследований при температурах много ниже 1° К. . На этом я позволю себе закончить описание наших опытов с жидким гелием.

Мне хочется еще раз оговорить, что я их описал очень схематично, рассказывая вам только о том, что могло проиллюстрировать ход развития нашей мысли. Но мне кажется, что даже из этого, весьма общего, описания можно вынести некоторую картину развития изучения этого интересного вопроса современной физики. Вы видели, как замеченное противоречие одновременного существования в жидком гелии большой теплопроводности и малой вязкости привело к опытам, которые обнаружили, что эта вязкость не только мала, но практически неощутима, и мы предположили, что гелий-II «сверхтекуч», а его теплопроводность — конвекционная. Такая картина опять завела в тупик, так как она все же недостаточна, чтобы объяснить большую теплопроводность гелия-II. Чтобы выйти из тупика, нужно было обнаружить движение гелия в капилляре. Рядом экспериментов, на описании которых я остановился более подробно, это удалось сделать. На основании полученной картины движения, чтобы объяснить большую теплопроводность гелия, мы выдвинули предположение о разности тепловых функций гелия в тонких слоях и в свободном состоянии. Гипотеза оказалась плодотворной, и на основании ее удалось предсказать, что теплопроводность гелия в свободном состоянии при отсутствии поверхностных явлений не обнаруживает аномалий.

Но я ввел бы вас в заблуждение, если бы вы заключили из всего сказанного, что проблемы жидкого гелия полностью решены и вопрос исчерпан. Дальнейший анализ вскрывает еще много противоречий и неясностей в этих проблемах, и впереди еще много интересной работы. Подробный разбор этих вопросов завел бы нас очень далеко, но я укажу хотя бы на некоторые из них.

Пограничные слои, играющие, как мы видели, такую важную роль в явлениях жидкого гелия-II, выдвигают ряд проблем для исследования. Например, далеко не ясен вопрос о механизме течения гелия в тонких пленках по поверхности и о возможных скоростях этого течения. Поверхностный слой жидкого гелия-II, участвующий в противотоке, казалось бы, следовало считать, по ряду общих теоретических соображений, очень тонким, но тогда оказывается, что скорости этого течения были бы очень велики: порядка 200 м/сек. Более подробный анализ показывает, что нет никаких физических законов, препятствующих принципиальному существованию таких больших скоростей в тонкой пленке, но в то же время признать их существование мы сможем только после того, как подтвердим наличие этой скорости экспериментально.