Хелият принадлежи към групата на благородните газове. Течният хелий е най-студената течност в света. В това агрегатно състояние той има редица уникални характеристики, като свръхфлуидност и свръхпроводимост. Ще научим повече за свойствата му по-късно.
Хелиев газ
Хелият е просто вещество, широко разпространено във Вселената в газообразно състояние. В периодичната таблица на Менделеев той е вторият и е непосредствено след водорода. Отнася се за инертни или благородни газове.
Елементът е обозначен като "Той". От старогръцки името му означава „Слънце“. Първоначално се предполагаше, че е метал. Оказа се обаче, че това е едноатомен газ. Хелият е вторият най-лек химикал и е без вкус, цвят и мирис. Има най-ниската точка на кипене.
При нормални условия това е идеален газ. Освен в газообразно състояние, той може да бъде в твърдо и течно състояние. Неговата инертност се проявява в неактивно взаимодействие с други вещества. Той е практически неразтворим във вода. За промишлени цели се извлича от природен газ, като се отделя от примесите сизползвайки силно охлаждане.
Газът може да бъде опасен за хората. Увеличаването на концентрацията му във въздуха води до липса на кислород в кръвта, което в медицината се нарича кислороден глад. При поглъщане в големи количества причинява повръщане, загуба на съзнание и понякога смърт.
Втечняване на хелий
Всеки газ може да премине в течно агрегатно състояние при определени условия. Втечняването обикновено се използва в промишлеността, както и в научните изследвания. За някои вещества е достатъчно просто да се увеличи налягането. Други, като хелий, стават течни само при охлаждане.
Ако температурата на газа е над критичната точка, той няма да кондензира, независимо от налягането. За хелия критичната точка е 5,19 Келвина, за неговия изотоп 3He е 3,35 K.
Течният хелий е почти перфектна течност. Характеризира се с липсата на повърхностно напрежение, вискозитет. След промяна на налягането и температурата обемът му остава същият. Течният хелий има изключително ниско напрежение. Веществото е безцветно и силно течно.
Свойства на течен хелий
В течно състояние хелият е слабо различим, тъй като слабо пречупва светлинните лъчи. При определени условия той има свойствата на квантова течност. Поради това при нормално налягане той не кристализира дори при температура от -273,15 по Целзий (абсолютна нула). Всички други известни вещества се втвърдяват при тези условия.
Температурата, при която течният хелий започва да кипи, е -268,9 градуса по Целзий. Физичните свойства на неговите изотопи варират значително. Например, хелий-4 кипи при 4,215 K.
Това е течност Bose, която се характеризира с фазови преходи при температури от 2, 172 Kelvin и по-ниски. Фазата He II се характеризира със свръхфлуидност и свръхтоплопроводимост. При температури под фазата He I и He II възникват едновременно, поради което в течността се появяват две скорости на звука.
Хелий-3 е течност на Ферми. Кипи при 3,19 Келвина. Един изотоп може да постигне свръхтечност само при много ниски температури (няколко миликелвина), когато има достатъчно привличане между неговите частици.
Свръхтечност на хелий
Науката дължи изучаването на концепцията за свръхфлуидност на академиците С. П. Капица и Л. Д. Ландау.
Академикът заключи, че след като температурата на хелия падне под 2 172 K, веществото преминава от фазата на нормално състояние в напълно ново, наречено хелий-II. В тази фаза веществото преминава през капилярите и тесните отвори без най-малко триене. Това състояние се нарича "свръхтечност".
През 1941 г. Ландау Л. Д. продължава да изучава свойствата на течния хелий и развива теорията за свръхфлуидността. Обяснететой го взе чрез квантови методи, прилагайки концепцията за енергийния спектър на възбужданията.
Апликации с хелий
Елементът хелий е открит в спектъра на Слънцето през 1868 г. На Земята той е открит от Уилям Рамзи през 1895 г., след което е проучван дълго време и не е използван в икономическата сфера. В промишлената дейност той започва да се използва като гориво за дирижабли по време на Първата световна война.
Газът се използва активно за опаковане в хранително-вкусовата промишленост, при топенето на метали. Геолозите го използват за откриване на разломи в земната кора. Течният хелий се използва главно като хладилен агент, способен да поддържа свръхниски температури. Това свойство е необходимо за научни изследвания.
Охлаждащата течност се използва в криогенни електрически машини, в сканиращи тунелни микроскопи, в устройства на медицински ЯМР томографи, в ускорители на заредени частици.
Заключение
Хелият е инертен или благороден газ, който проявява ниска активност при взаимодействие с други вещества. В периодичната таблица на химичните елементи той е на второ място, след водорода. В природата материята е в газообразно състояние. При определени условия може да премине в други състояния на агрегатиране.
Основната характеристика на течния хелий е неговата свръхтечност и неспособност да кристализира при нормално налягане, дори ако температурата достигне абсолютна нула. Свойствата на изотопите на дадено вещество не са еднакви. Тяхната критичнатемператури, техните условия на кипене и завъртания на техните частици.
