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液氦


基本信息
氦单质在极低温度下由气态氦转变为液态氦。由于氦原子间的相互作用(范德华力)和原子质量都很小,很难液化,更难凝固。富同位素4He的气液相变曲线的临界温度和临界压强分别为5.20K和2.26大气压,一个标准大气压下的温度为4.215K.在常压下,温度从临界温度下降至绝对零度时,氦始终保持为液态,不会凝固,只有在大于25大气压时才出现固态。
在2.18K时会有明显的性质改变,如获得超导性、超流性,被称作He II,来与普通的液氦(He I)区别开。

 

中文名称
液氦
性状
无色、无味的液体
外文名称
liquid helium
4He熔点
0.95K 25atm
4He密度
0.125g*cm-1 1atm
3He沸点
3.2K  1atm
4He沸点
4.215K  1atm
3He熔点
0.3K  29atm
物理性质
概述
氦在通常情况下为无色、无味的气体;熔点-272.2℃(25个大气压),沸点-268.785℃;密度0.1785克/升,临界温度-267.8℃,临界压力2.26大气压;水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时(HeⅡ),性质发生突变,成为一种超流体,能沿容器壁向上流动,热传导性为铜的800倍,并变成超导体;其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。
液氦在一个大气压下密度为0.125 g/mL。
氦有两种天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上全是氦4。
普通液氦是一种很易流动的无色液体,其表面张力极小,折射率和气体差不多,因而不易看到它。液态4He包括性质不同的两个相,分别称为HeⅠ和HeⅡ,在两个相之间的转变温度处,液氦的密度、电容率和比热容均呈现反常的增大。两个液相HeⅠ和HeⅡ间的转变温度称为λ点,饱和蒸气压下的λ点为2.172K,压强增加时,λ点移向较低的温度,两个液相的相变曲线为一直线,称为λ线。
超流体:液氦具有一系列引人注目的特点,主要表现在以下几方面。
超流动性普通液体的粘滞度随温度的下降而增高,与此不同,HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时,几乎与温度无关,其数值约为3×10-6帕秒,比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值(<10-12帕秒),这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时,发现流管愈细,超流动性就愈明显,在直径小于10-5厘米的流管中,流速与压强差和流管长度几乎无关,而仅取决于温度,流动时不损耗动能。
氦膜任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖一层液膜,液膜中只包含无粘滞性的超流体成分,称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时,烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口,并进入杯内,直至杯内和杯外液面持平。反之,将盛有液氦的烧杯提出液氦面时,杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。
对HeⅡ性质的理论研究首先由F.伦敦作出。4He原子是自旋为整数的玻色子,伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体,遵守玻色统计规律,玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。伦敦证明了存在一个临界温度Tc,当温度低于Tc时,一些粒子会同时处于零点振动能状态(即基态),称为凝聚,温度愈低,凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多,在绝对零度时,全部粒子都凝聚到零点振动能状态,以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能,故有极大的平均自由程,能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。蒂萨首先提出二流体型,后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分独立的、可互相渗透的流体组成,一种是处于基态的凝聚部分,熵等于零,无粘滞性,是超流体;另一种是处于激发态(未凝聚)的正常流体,熵不等于零,有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度,温度降至λ点时,正常流体开始部分地转变为超流体,温度愈低,超流体的密度愈大,而正常流体的密度则愈小,在绝对零度时,所有原子都处于凝聚状态,全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。
热传导性:HeⅠ具有普通流体的导热率,因而当减小压强时,液氦出现激烈的沸腾现象。HeⅡ的导热率要比HeⅠ高出106倍,比铜高出104倍。当温度越过λ点,HeⅠ转变为HeⅡ时,液氦从很坏的热导体突然变为到目前为止最好的热导体。由于HeⅡ的导热率异乎寻常地高,其内部不可能出现温差,因而内部不可能汽化,即不能沸腾。当利用抽气方法减低蒸气压时,开始阶段出现激烈的沸腾,温度降低至λ点以下时,HeⅠ转变为HeⅡ,沸腾突然停止,液面平静如镜,汽化只发生在液面。正常流体的导热率与温度梯度无关,纯粹是反映物质性质的量,但HeⅡ的导热率却与温度梯度甚至容器的几何形状有关。
热效应:热效应包括机-热和热-机两种效应。盛有液氦的两个容器用极细的毛细管C连通,注入液氦,温度低于λ点,右侧液面高于左侧,形成压强差Δp.液氦中低熵超流成分能从右侧通过毛细管转移到左侧,而高熵的正常成分不能通过毛细管。这导致右侧液氦的熵增加,左侧的熵减少,这意味着右侧温度升高而左侧温度降低。这种由机械力引起的热量迁移称为机-热效应。机-热效应的逆过程称为热-机效应。右侧液氦受热后(吸热Q),低熵的超流成分减少,左侧液氦中的超流成分通过毛细管流向右侧,而正常成分不能通过毛细管,这导致右侧液面升高形成压强差。热-机效应的"喷泉"装置。带毛细管喷嘴的无底玻璃管的填充金刚砂粉末P,用棉花C塞住底部,浸入液氦中。用光照射玻璃管,使管内的液氦温度升高,超流成分激发成正常成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移,形成内外压强差,液氦从喷嘴喷出。
第二声波:普通流体中的声波是由密度交替变化形成的,称密度波。1941年朗道发展了量子液体的流体动力学,预言在HeⅡ中除普通密度波(称第一声波)外,还存在另一种声波,它是由液氦中超流成分(低熵,温度较低)与正常流体成分(高熵,温度较高)的相对运动形成的,称为温度波或熵波(第二声波)。实验证实了温度波的存在。
同位素:3He是4He的同位素,在天然氦中所占比例小于10-7,通过人工核反应可得足够数量的3He.3He的临界温度和临界压强分别为3.34K和1.17大气压。与4He一样,在常压下液态3He不会固化,在绝对零度附近需加34个大气压才能固化。1972年,D.D.奥舍罗夫等人在2mK低温下发现了两个3He的液态新相,分别称为3He-A和3He-B,它们均为超流态。液态3He和4He在0.87K以上温度时完全互溶,在该温度以下则分离成两相,按3He所占比例的多少分别称为浓相(含3He较多)和稀相(含3He较少),浓相浮于稀相之上(因3He比4He轻)。3He原子从浓相通过界面进入稀相时要吸热,这就是稀释致冷机的工作原理(见超低温技术)。3He原子的电子总自旋为零,核自旋为1/2,故与电子一样属费米子,遵守费米-狄拉克统计,液态3He称为费米液体,正常态的液态3He的性质可用朗道的费米液体理论描述。
基本用途
氦是最不活泼的元素,几乎不能和其他任何元素化合,而且极难液化。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂等等。氦气在卫星飞船发射、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面具有重要用途。
气球和飞艇:氦气曾被用来当做热气球和飞艇的驱动力,氦气的密度要比空气小得多,所以如果往气球和飞艇里充入氦气,气球和飞艇会冉冉升起,让我们不用坐飞机也能实现飞到空中的梦想。因为氢气和空气混合后会爆炸,所以氢气球和氢气飞艇并不安全。氢气飞艇曾经被当做大型载人飞行器使用,但是在1937年德国的"兴登堡号"飞艇在美国着陆时不慎着火爆炸之后,它就彻底退出了历史舞台。不过,热气球和热气飞艇还是比较安全的,而且飞行一次的花费也比较便宜。
人造空气:潜水员常常要使用氦气和氧气混合而成的人造空气。这是因为在水下的高压环境下,氮气会溶解在血液中,当潜水员上浮的时候压力减小,血中的氮气便纷纷逸出,形成气泡堵塞血管,使潜水员患上极为难受的"减压症"。氦气在高压下也难溶于水,所以用它来代替氮气就可以解决这个问题。不过如果我们没有氦气,我们还可以用氖气-它在高压下也难溶于水。
保护气:氦气在电焊、硅晶片生产中还可以用做保护气,它可以隔绝氧气,避免电焊工件、单质硅和氧气发生讨厌的化学反应。据美国政府有关部门统计,2000年美国消耗的所有氦气中,有18%用在了焊接上,还有16%用作其他工业的保护气。不过如果没有氦气,氩气一样可以出色地完成服务,而且还便宜得多。
叠低温超导技术:要说缺乏氦气最严重的后果,也无非是严重阻碍低温技术的应用,其中受到最大影响的就是低温超导技术了。现在已知所有的超导材料都要在-130℃以下的低温中才能表现出超导特性,其中应用最广泛的那几种(比如Nb3Sn)更是需要比液氢的沸点还低的转变温度,这时候只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。虽然我们完全可以用别的办法实现同样的低温,但都不如液氦实惠。显然,假如我们没有氦,低温超导技术的普及就会受到严重的阻碍;低温超导技术如果不能普及,医院就会用不起核磁共振成像仪(它需要超导材料制造强磁场)。