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

Из других явлений при низкой температуре, не имеющих подобия при обычных температурах и также, по-видимому, связанных с их квантовой природой, наиболее интересными оказываются свойства самого гелия, о которых я предполагаю говорить более подробно.

Жидкий гелий имеет очень малый удельный вес: примерно в 7 раз меньше воды. Он чрезвычайно прозрачен и, например, по сравнению с водой, трудно видим.

Изучение свойств жидкого гелия привело к открытию целого ряда интересных явлений. Еще Камерлинг-Оннес обнаружил, что .гелий имеет два состояния: первое состояние — это нормальное, называемое гелий-I. Оно существует до температуры 2,19° К, ниже его модификация меняется. Оставаясь жидким, он переходит в состояние, называемое гелий-II. В этой модификации он остается до самых низких температур, пока достигнутых.

При внимательном рассмотрении гелий-I представляет кипящую жидкость, потому что даже свет, падающий на него, уже заставляет его кипеть. Чтобы защитить его от окружающего тепла, сосуд с жидким гелием окружают двумя рядами вакуумных оболочек, между которыми налит жидкий воздух. Без этих предосторожностей жидкий гелий испарился бы в несколько десятков минут.

Второе состояние гелия резко отличается от первого. Гелий-II не кипит, и на вид его свободная поверхность образует совершенно неподвижную плоскость. Гелий-II обладает рядом совершенно исключительных физических свойств. Из них, пожалуй, самым замечательным свойством является его чрезвычайно большая теплопроводность, обнаруженная Кеезомом и его дочерью. Это явление было обнаружено, когда теплопроводность гелия-II мерилась в тонких трубках (капиллярах). Наиболее теплопроводными веществами, которые нам известны при комнатной температуре, являются металлы, из них наиболее теплопроводны медь и серебро. Многие из вас, наверное, испытали на опыте, что если нагревать конец медного стержня и держать его за другой конец в руке, то легко можно обжечь себе руку. Так вот, гелий в капиллярах оказался теплопроводнее, чем медь, больше, чем в миллион раз. Совершенно естественно, что Кеезом назвал это свойство по аналогии со сверхпроводимостью металлов — сверхтеплопроводностью.

Опытами, проводившимися в Канаде, было также показано, что у жидкого гелия-II очень малая вязкость — она в несколько раз меньше, чем у гелия-I.

Вязкость — это свойство жидкости, определяющее ее текучесть. Если через одну и ту же трубку под одним и тем же напором мы будем пропускать разные жидкости, то легко убедимся, что одни из них будут протекать легче, другие — труднее. Чем хуже протекает жидкость, чем меньше ее текучесть, тем больше в ней вязкость. Следовательно, вязкость есть как бы мерило внутреннего трения при течении. Из опыта мы, например, находим, что у масла большая вязкость, у смолы еще больше, а у воды меньшая вязкость. Если поставить точный эксперимент, то мы найдем, что у газа есть вязкость, хотя она мала. Оказалось, что у жидкого гелия она примерно в 1000 раз меньше, чем вязкость воды, и при переходе гелия-I в гелий-II даже было наблюдено некоторое уменьшение этой вязкости. Это явление нас очень заинтересовало. Как нетрудно показать, в этих свойствах жидкого гелия можно найти противоречие с нашими обычными представлениями о механизме вязкости и теплопроводности.

В самом деле, как себе представить механизм теплопроводности? Мы считаем, что тепло есть движение атомов в веществе. Когда одна часть тела более нагрета, чем другая, атомы в ней приобретают более энергичное колебательное движение, чем в другой. Благодаря силам взаимодействия более энергичное движение атомов нагретой части тела передается менее нагретой. Неравномерность в энергии колебаний как бы стремится выравняться по всему телу, и это влечет за собой то, что тепло распространяется по всему телу. Значит, теплопроводность надо рассматривать как способность атомов передавать свои колебания друг другу, и чем больше это свойство передачи, тем больше значение для теплопроводности данного вещества.

Теперь попытаемся представить себе механизм, обусловливающий вязкость. При течении, например, в трубочке, слой жидкости, прилегающий к стенке, неподвижен, следующий слой уже движется с некоторой скоростью, над ним движется другой слой с несколько большей скоростью и т. д. Между этими слоями существует скольжение, которое происходит с трением. Это трение вызывается тем, что атомы одного слоя в своем движении отстают от атомов следующего слоя и благодаря тем же силам взаимодействия мешают движению. В результате получается потеря энергии, которая и обусловливает вязкость жидкости. Из такой картины следует, что вязкость должна быть тем больше, чем больше движение атомов одного слоя влияет на движение атомов другого слоя, т. е. чем легче в теле распространяется тепло.

Поэтому при увеличении в веществе его теплопроводности естественно ждать также и увеличения его вязкости, а не наоборот, как это происходит в гелии. Спрашивается, почему же при таком колоссальном увеличении теплопроводности гелия-II вязкость его уменьшается?

Чтобы разрешить это противоречие, мы выдвинули предположение, что большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом, является только кажущейся. В самом деле, известно, что существуют два механизма теплопередачи. Один — это теплопередача от атома к атому, как мы описывали и какая наблюдается в твердом теле, а другой же механизм теплопередачи — это конвекция. Положим, вы будете держать руку над горячим источником, например радиатором, — вы сразу почувствуете тепло, так как поток нагретого воздуха будет переносить тепло к вашей руке. Такой перенос тепла вместе с движущимся потоком вещества и называется конвекцией. Если же руку поместить под радиатором, то никакого тепла не почувствуется, так как поток теплого воздуха идет кверху, а обычная теплопередача воздуха очень мала. В такой плохо-теплопроводной среде, как воздух, обычная теплопередача только и происходит благодаря конвекционному переносу. Так и у гелия с его большой текучестью естественно предположить, что будет легко происходить конвекционная теплопередача, и таким механизмом переноса тепла и могла бы объясняться большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом.

Подсчеты сразу же показали, что для того, чтобы объяснить большую теплопередачу конвекционными потоками, вязкость гелия-II должна быть значительно меньше той, которая была измерена учеными в Канаде.

Но тут надо отметить, что малая вязкость — величина, довольно трудно поддающаяся измерению. Теория показывает, что истинное значение вязкости может быть как бы затушевано присутствием в жидкости так называемого турбулентного движения, т. е. вместо того, чтобы иметь при измерениях спокойное течение, на самом деле на него накладываются движения от вихрей, которые, как можно показать, исказят результаты измерений, так что полученная величина может оказаться во много раз больше истинной.