Жидкий гелий

При определённых условиях жидкий гелий представляет собой квантовую жидкость, то есть жидкость, в макроскопическом объёме которой проявляются квантовые свойства составляющих её атомов. Из-за квантовых эффектов (нулевые колебания), при нормальном давлении гелий не затвердевает даже при абсолютном нуле. Твёрдый гелий в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше .

История исследованийПравить

История получения и исследований жидкого гелия тесно связана с историей развития криогеники.

• В 1898 году Дьюаром получено около 20 см³ жидкого водорода.
• В 1906 году Камерлинг-Оннес наладил линию полупромышленного получения жидкого водорода, дающую до в час.
• В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия в объёме (Нобелевская премия по физике за 1913 год). Для опыта потребовалось жидкого водорода, полученного при помощи линии, созданной двумя годами ранее. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при адиабатическом дросселировании водорода (см. эффект Джоуля — Томсона).
• В 1938 году П. Л. Капица открыл сверхтекучесть гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Квантовомеханическое объяснение явления было дано Л. Д. Ландау в 1941 году (Нобелевская премия по физике за 1962 год).
• В 1948 году удалось сжижить и гелий-3.
• В 1972 году в жидком гелии-3 также был обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже и при давлении гелий-3 действительно становится сверхтекучим. (Нобелевская премия по физике за 2003 год.)

Физические свойстваПравить

Физические свойства гелия сильно отличаются у изотопов 4He и 3He:

Свойства гелия-4Править

Жидкий гелий — бозе-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются бозонами.

Выше температуры гелий-4 ведёт себя как обычная криожидкость, то есть кипит, выделяя пузырьки газа. При достижении температуры (при давлении паров  — так называемая λ-точка) жидкий 4Не претерпевает фазовый переход второго рода, сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоёмкости, вязкости, плотности и других. В жидком гелии при температуре ниже температуры перехода одновременно сосуществуют две фазы, и , с сильно различающимися свойствами. Состояние жидкости в фазе гелия-II в некоторой степени аналогично состоянию бозе-конденсата (однако, в отличие от конденсата атомов разреженного газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к гелию-II).

Сверхтекучесть и сверхтеплопроводность

Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что кипение прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. Испарение гелия, конечно, продолжается, но оно идёт исключительно с поверхности. Различие в поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью сверхтекучей фазы (во много миллионов раз выше, чем у ). При этом вязкость нормальной фазы остаётся практически неизменной, что следует из измерений вязкости методом колеблющегося диска. С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур. Линия разграничения этих фаз называется λ-линией.

Для характерна сверхтекучесть — способность протекать без трения через узкие (диаметром менее ) капилляры и щели. Относительное содержание растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном нуле температуры — с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур путём пропускания жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако за счёт того, что при близких к абсолютному нулю температурах теплоёмкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось — за счёт неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения.

За счёт сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность жидкого гелия — теплопередача идёт не за счёт теплопроводности, а за счёт конвекции сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году П. Л. Капицей.

За счёт одновременного наличия двух фаз в жидком гелии, имеется две скорости звука и специфическое явление — так называемый «второй звук». Второй звук — слабозатухающие колебания температуры и энтропии в сверхтекучем гелии. Скорость распространения второго звука определяется из уравнений гидродинамики сверхтекучей жидкости в двухкомпонентной модели. Если пренебречь коэффициентом теплового расширения (который у гелия аномально мал), то в волне второго звука осциллируют только температура и энтропия, а плотность и давление остаются постоянными. Распространение второго звука не сопровождается переносом вещества.

Второй звук можно также интерпретировать как колебания концентрации квазичастиц в сверхтекучем гелии. В чистом 4He это колебания в системе ротонов и фононов.

Свойства гелия-3Править

Фазовая диаграмма раствора гелия-3 в гелии-4

Жидкий гелий-3 — это ферми-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются фермионами. В таких системах сверхтекучесть может осуществляться при определённых условиях, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов — так называемых куперовских пар (эффект Купера).

Куперовская пара обладает целым спином, то есть ведёт себя как бозон; поэтому вещество, состоящее из объединённых в куперовские пары фермионов, может переходить в состояние, подобное бозе-конденсату. Сверхтекучесть такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название сверхпроводимости.

Аналогичная ситуация имеет место в жидком 3He, атомы которого имеют спин ½ и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства жидкого гелия-3 можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой примерно в большей, чем масса атома 3He. Силы притяжения между квазичастицами в 3He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких милликельвинов в 3He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения сверхтекучести. Открытию сверхтекучести у 3He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — эффекта Померанчука и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния 3He при сверхнизких температурах.

Хранение и транспортировкаПравить

Как и другие криожидкости, гелий хранят в сосудах Дьюара. Гелий в них всегда хранится под небольшим давлением — за счёт естественного испарения жидкости. Это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорог, то, чтобы не выпускать газ в атмосферу, на головной части дьюара размещается соединительная часть для подсоединения дьюара к гелиевой сети, по которой газообразный гелий собирается для повторного использования. Как правило, на этом же узле крепится манометр для контроля давления и аварийный клапан.

Гелиевые дьюары переворачивать нельзя, для переливания содержимого применяют специальные сифоны.

Гелий имеет очень низкую теплоту испарения (в меньше, чем у водорода), но зато высокую теплопроводность. Поэтому к качеству теплоизоляции гелиевых дьюаров предъявляются высокие требования. При повреждении вакуумной изоляции жидкость так бурно вскипает, что дьюар может взорваться. Как правило, для снижения потерь гелия на испарение используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дьюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим жидким азотом (температура ). За счёт этого удается существенно сократить теплообмен между гелием и атмосферой.

Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах, выпускаемыми промышленно. В СССР и позднее в России выпускались сосуды типа СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 и СТГ-100 ёмкостью 10, 25, 40 и , соответственно. Эти сосуды широко используются в российских лабораториях и в настоящее время. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении.

Применение жидкого гелияПравить

Современный ЯМР-томограф. Для охлаждения сверхпроводящих магнитов в нём используется жидкий гелий.

Жидкий гелий применяется в качестве хладагента для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях):

• детекторы инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометры;
• сканирующие туннельные микроскопы;

• Химическая энциклопедия. В 5-ти тт. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 513—514. — 623 с. —
• Наука и техника: Физика / Сверхтекучесть. Дата обращения: 26 ноября 2009. Архивировано 17 декабря 2009 года.
• Академик П. Л. Капица, «Свойства жидкого гелия». Дата обращения: 18 мая 2014. Архивировано 21 февраля 2016 года.
• LHC Guide booklet «CERN — LHC: Facts and Figures». CERN. Guide booklet

СсылкиПравить

• Сверхтекучий 3He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
• , «Universe in a helium droplet», Oxford University Press, 2004, 529 стр., книга доступна на сайте автора (PDF, 3,5 Мб).

Калькулятор перевода литров газа в килограммы (кг)

Масса — это характеристика тела, являющаяся мерой гравитационного взаимодействия с другими телами.

Объем — это количественная характеристика пространства, занимаемого телом, конструкцией или веществом.

Плотность — это физическая величина, определяемая как отношение массы тела к объему тела.

Взаимосвязь литров и килограмм газа определяется простой математической формулой:

V = m / p, где

V — объем;
m — масса;
p — плотность.

В расчете принята плотность газа = 1.293 кг/м3.

Плотность газа может изменяться в зависимости от температуры и давления. Точное значение плотности газа Вы можете найти в справочниках.

Если необходимо перевести м3 в тонны, то смотрите программу перевода тонн в м3.

Если необходимо перевести кг в м3, то смотрите программу перевода кг в м3.

Вопрос: Сколько кг в литре газа?

Ответ: 1 кг газа равен 773.4 литра.

Вопрос: Сколько литров в килограмме газа?

Ответ: 1 литр газа равен 0.001293 килограмм (кг).

Быстро решить эту простейшую математическую операцию можно с помощью нашей онлайн программы. Для этого необходимо в соответствующее поле ввести исходное значение и нажать кнопку.

На этой странице представлена самая простая программа для перевода килограммов газа в литры. С помощью этого онлайн калькулятора вы в один клик сможете перевести литры газа в кг и обратно.

У этого термина существуют и другие значения, см. Гелий (значения).

Ге́лий-3 — стабильный изотоп гелия. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжёлого другого стабильного изотопа — гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона.

РаспространённостьПравить

Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934 году. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939 году.

Атомная масса гелия-3 равна 3,016 (у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства весьма отличаются). Гелий-3 кипит при (гелий-4 — при ), его критическая точка равна (у гелия-4 — ). Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна , тогда как у гелия-4 она равна , в 2 раза больше. Удельная теплота испарения равна (у гелия-4 — ).

Газообразный гелий-3 при нормальных условиях ( = 273,15 K = 0 °C, = 101 325 Па) имеет плотность . Соответственно, объём одного грамма гелия-3 при н.у. равен .

Жидкий гелий-3Править

Фазовая диаграмма гелия-3 при температурах 0—0,003 К. При температуре ниже 2,6 мК и отсутствии магнитного поля существуют две сверхтекучие жидкости А и В. ОЦК — объёмно-центрированная кубическая кристаллическая структура.

Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году.
В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм (ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов). За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 году Д. Ошерову, Р. Ричардсону и Д. Ли была присуждена Нобелевская премия по физике.

ПолучениеПравить

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В этих счётчиках происходит реакция

Заряженные продукты реакции — тритон и протон — регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера—Мюллера.

Получение сверхнизких температур

Откачкой паров гелия-4 под вакуумом сложно получить температуры ниже 0,7К. Более низкие температуры достижимы посредством испарения при откачке паров гелия-3, который при этом не будет сверхтекучим. Таким образом можно вплотную приблизиться к условной границе криогенных и сверхнизких температур (0,3К). Для откачки паров также используется их адсорбция в гелии-4, проводимая в замкнутых ёмкостях, предотвращающих любую потерю гелия-3.

Гелий-3 как гипотетическое термоядерное топливо

В фантастических произведениях (играх, фильмах) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне:

• В серии игр «Mass Effect» (2007—2013) гелий-3 используется в качестве топлива для космических кораблей.
• Основой сюжета британского научно-фантастического фильма «Луна 2112» (2009) является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу гелия-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.
• В политической комедии «Железное небо» (2012) лунный гелий-3 стал причиной международного ядерного конфликта за право его добычи.
• В фантастической саге Иена Макдональда «Луна» (2015—2017) гелий-3 используется как топливо для термоядерных установок.

ЛитератураПравить

• Dobbs E. R. Helium Three. — Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Галимов Э. М. Если у тебя есть энергия, ты можешь извлечь всё Архивная копия от 26 декабря 2014 на Wayback Machine — Редкие земли. 2014. № 2. С. 6-12.
• Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.).

Калькулятор перевода литров сжиженного газа в килограммы (кг)

Взаимосвязь литров и килограмм сжиженного газа определяется простой математической формулой:

В расчете принята плотность сжиженного газа = 600 кг/м3.

Плотность сжиженного газа может изменяться в зависимости от температуры и давления. Точное значение плотности сжиженного газа Вы можете найти в справочниках.

Вопрос: Сколько кг в литре сжиженного газа?

Ответ: 1 кг сжиженного газа равен 1.667 литра.

Вопрос: Сколько литров в килограмме сжиженного газа?

Ответ: 1 литр сжиженного газа равен 0.6 килограмм (кг).

На этой странице представлена самая простая программа для перевода килограммов сжиженного газа в литры. С помощью этого онлайн калькулятора вы в один клик сможете перевести литры сжиженного газа в кг и обратно.

Вес 1 м^3 гелия легко посчитать самостоятельно. Смотрите в периодическую Таблицу Менделеева. В этой таблице указана масса одного атома гелия 4,002602 атомных единиц масс. Впрочем, это одноатомный газ, поэтому это же и масса одной молекулы гелия. Теперь остаётся только пересчитать все молекулы (атомы) гелия в одном кубометре и умножить массу одной молекулы на количество всех молекул. Но вам не придётся пересчитывать молекулы, т.к. за вас это уже сделал итальянский физик Амедео Авогадро. Он установил, что в равных объёмах любых газов при нормальных условиях, т.е. при температуре 0°С и давлении 760 мм ртутного столба, содержится всегда одно и то же число молекул. Число молекул газа в 22,4 литре любого газа поэтому всегда одно и то же. Оно получило название число Авогадро N(A). В результате экспериментов и вычислений Авагадро установил, что число Авагадро равно N(A)=6,02*10^23. Вы можете воспользоваться этим уже готовым результатом вместо того, чтобы самостоятельно рассчитывать число Авагадро. Так как в кубическом метре содержится 1000 литров, то и число молекул будет больше в 1000/22,4 раз числа Авогадро, т.е. равно (6,02*10^23*1000)/22­,4 штук молекул. И тогда масса одного кубического метра гелия будет равна 4,002602*(6,02*10^23­*1000)/22,44 атомных единиц массы гелия. Чтобы перевести в килогаммы нужно вспомнить, что за одну атомную единицу массы принимается 1/12 массы изотопа углерода-12. Но поскольку в 12 г такого углерода содержится число молекул тоже равное числу Авагадро, то вы можете просто заменить число Авагадро на множитель 12 г. В результате получите 4,002602*1000/22,44=­178,687 г гелия в кубическом метре или 0,178687 килограмм. Но тем не менее, это масса. Если строго говорить о весе, то потребуется сначала посчитать силу тяжести гелия по формуле F=m*g, где F — сила тяжести, m — масса, g — ускорение свободного падения в месте вашего проживания, а затем вычесть силу Архимеда, которая направлена в противоположную сторону. В среднем g=9,81 м/сек^2. Поэтому средняя сила тяжести одного кубического метра гелия будет равна F=0,178687*9,81 Н = 1,75291947 Н. Это совсем не много. Примерно столько весит одно крупное яблоко. А для вычисления силы Архимеда умножаем массу воздуха в 1 кубическом метре на ускорение свободного падения. 1,2754*9,81=12,51167­4 Н. Тогда вес гелия будет равен 0,178687-12,511674 Н = -12,332987Н. Таким образом, 1 кубический метр гелия при нормальных условиях весит -12,332987Н. Знак минус указывает на то, что вес гелия направлен вертикально вверх. Именно потому, что у гелия отрицательный вес, им заполняют воздушные шары и аэростаты.

Запрос «He» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Простое вещество, гелий — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

По распространённости во Вселенной и по лёгкости занимает второе место после водорода. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ.

История открытияПравить

График зависимости теплоёмкости жидкого гелия-4 от температуры

И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим.

Гелий извлекают из природного и нефтяного газов; мировые запасы оцениваются в .

Добыча в России

Актуальной проблемой является дальнейшее освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири, отличающихся сходным с Чаяндинским высоким содержанием гелия (0,15—1 % об.).

Производство гелияПравить

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие более 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий, очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода.
Эту смесь, так называемый сырой гелий (70—90 % гелия по объёму) очищают от водорода (4—5 %) с помощью CuO при .

Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2 и адсорбцией примесей на активированном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % гелия по объёму) и высокой чистоты (99,985 %).

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения ( = 4,215 K для ) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше  — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.