Гелий относится к группе благородных газов. Жидкий гелий является самой холодной жидкостью в мире. В этом агрегатном состоянии он обладает рядом уникальных особенностей, таких как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Подробнее о его свойствах мы узнаем далее.
Газ гелий
Гелий – простое вещество, широко распространенное во Вселенной в газообразном состоянии. В периодической таблице Менделеева он второй и стоит сразу после водорода. Он относится к инертным или благородным газам.
Элемент обозначается как «He». С древнегреческого языка его название означает «Солнце». Вначале предполагалось, что это металл. Однако оказалось, что это одноатомный газ. Гелий является вторым химическим веществом по легкости, он не обладает вкусом, цветом и запахом. Имеет самую низкую температуру кипения.
В нормальных условиях он является идеальным газом. Кроме газообразного, он способен находится в твердом и жидком состоянии. Его инертность проявляется в малоактивном взаимодействии с другими веществами. Он практически не растворяется в воде. В промышленных целях его добывают из природного газа, отделяя от примесей с помощью сильного охлаждения.
Газ может быть опасным для человека. Увеличение его концентрации в воздухе приводит к нехватке кислорода в крови, что в медицине называется кислородным голоданием. Попадая в организм в больших количествах, он вызывает рвоту, потерю сознания, а иногда и смерть.
Сжижение гелия
Любой газ может перейти в жидкое агрегатное состояние при соблюдении определенных условий. Сжижение обычно используется в промышленности, а также в научных исследованиях. Для одних веществ достаточно просто повысить давление. Другие, такие как гелий, в жидком состоянии оказываются только после охлаждения.
Если температура газа выше критической точки, то он не сконденсируется, каким бы ни было давление. Для гелия критической точкой является температура 5, 19 Кельвина, для его изотопа 3He она составляет 3,35 К.
Жидкий гелий является практически идеальной жидкостью. Для неё характерно отсутствие поверхностного натяжения, вязкости. После изменения давления и температуры, её объем остается прежним. Жидкий гелий обладает крайне низким натяжением. Вещество является бесцветным и сильно текучим.
Свойства жидкого гелия
В жидком состоянии гелий плохо различим, потому что слабо преломляет световые лучи. В определенных условиях он обладает свойствами квантовой жидкости. Благодаря этому при нормальном давлении он не кристаллизуется даже при температуре −273,15 по Цельсию (абсолютный ноль). Все остальные известные вещества затвердевают в таких условиях.
Температура жидкого гелия, при которой он начинает закипать, составляет -268,9 градусов Цельсия. Физические свойства его изотопов значительно разнятся. Так, гелий-4 закипает при температуре 4,215 К.
Он представляет собой бозе-жидкость, для которой характерны фазовые переходы при температуре 2,172 Кельвинов и ниже. Фаза Не II характеризуется сверхтекучестью и сверхтеплопроводимостью. При температуре ниже фазы Не I и Не II происходят одновременно, за счет чего в жидкости появляется две скорости звука.
Гелий-3 является ферми-жидкостью. Он закипает при температуре 3,19 Кельвинов. Изотоп способен достигать сверхтекучести только при очень низких температурах (несколько милликельвинов), когда между его частицами появляется достаточное притяжение.
Сверхтекучесть гелия
Изучению понятия сверхтекучести наука обязана академикам Капице С. П. и Ландау Л. Д. Изучая свойства жидкого гелия в 1938 году, Сергей Капица заметил, что приближаясь к абсолютному нулю, жидкость теряет вязкость, вместо того чтобы затвердеть.
Академик заключил, что после того, как температура гелия опускается ниже 2,172 К, вещество переходит от фазы нормального состояния до абсолютно нового, названного гелий-II. В этой фазе вещество проходит через капилляры и узкие отверстия без малейшего трения. Такое состояние и получило название «сверхтекучесть».
В 1941 году Ландау Л. Д. продолжил изучать свойства жидкого гелия и разработал теорию сверхтекучести. Объяснять её он взялся квантовыми методами, применив понятие энергетического спектра возбуждений.
Применение гелия
Элемент гелий был открыт в спектре Солнца в 1868 году. На Земле он был обнаружен Уильямом Рамзаем 1895 году, после чего долгое время изучался и не применялся в хозяйственной сфере. В промышленной деятельности его стали применять в качестве топлива для дирижаблей в период Первой мировой войны.
Газ активно применяется для упаковок в пищевой промышленности, при выплавке металлов. Геологи используют его для обнаружения разломов земной коры. Жидкий гелий в основном применяется как холодильный агент, способный поддерживать сверхнизкие температуры. Это его свойство необходимо при проведении научных исследований.
Жидкость-охладитель применяется в криогенных электрических машинах, в сканирующих туннельных микроскопах, в устройствах медицинских ЯМР-томографов, в ускорителях заряженных частиц.
Заключение
Гелий – инертный или благородный газ, проявляющий низкую активность во взаимодействии с другими веществами. В периодической системе химических элементов он стоит на втором месте, уступая водороду. В природе вещество находится в газообразном состоянии. При определенных условиях оно может переходить в другие агрегатные состояния.
Основная особенность жидкого гелия - его сверхтекучесть и не способность кристаллизоваться при нормальном давлении, даже если температура достигает абсолютного нуля. Свойства изотопов вещества неодинаковы. Отличаются их критические температуры, условия их кипения, а также значения спина их частиц.
