Эксперимент, теория, практика - страница 16

Это явление настолько интересно и ярко, что его можно будет вам показать на упрощенном приборе, специально построенном для демонстрации. Этот прибор изображен на рисунке. Мы назвали его «паучком». Он состоит из двух стеклянных колпачков 2, запаянных внизу, к которым прикреплено 6 капилляров в виде ножек паука. Стеклянный колпачок покоится на очень острой игле 1 и, таким образом, может свободно вращаться. Конечно, паучок целиком погружен в жидкий гелий-II. Если посредством пучка света 3 нагревать гелий, находящийся в сосудике 2, то из каждой ножки он начнет вырываться струей, сила реакции которой, как вы увидите, заставляет этот паучок вращаться.

Если теперь, опуская петлю 5, надеть на наш паучок два очень легких колечка 4, к которым на тоненьких проволочках прикреплены по числу капилляров 6 дисков так, что каждый из дисков прикроет на расстоянии 1—2 мм отверстие каждого капилляра, то мы увидим, что и таком состоянии наш паучок, когда мы будем подогревать гелий пучком света, не будет уже вращаться. Фотография этого приборчика показана на рисунке справа.

Из этих опытов мы получили картину движения жидкого гелия в капилляре, производимого потоком тепла. Схема этого движения представлена на рисунке на стр. 36. В бульбочке 1 происходит нагревание гелия, в капилляре происходит поток, и он вырывается наружу в виде струи 2. Входящий гелий ползет по стенке капилляра в обратном направлении в виде тонкой поверхностной пленки 3, а в бульбочке происходит переход гелия с поверхности опять в свободный гелий. Таким образом, мы имеем тут явление ползания гелия по поверхности, очень похожее на то, о котором мы уже говорили вначале и которое объясняет выравнивание уровней гелия из сосудика, изображенного на рисунке на стр. 28. Нужно отметить, что в обоих случаях такое движение гелия возможно только, если жидкий гелий-II при своем течении ведет себя как жидкость, не обладающая вязкостью.

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 ].

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