Helio liquido
Helio líquido es un estado físico del helio a temperaturas muy bajas a presiones atmosféricas estándar. El helio líquido puede mostrar superfluidez.
A presión estándar, el elemento químico helio existe en forma líquida solo a la temperatura extremadamente baja de -269 °C (-452,20 °F; 4,15 K). Su punto de ebullición y su punto crítico dependen del isótopo de helio presente: el isótopo común helio-4 o el isótopo raro helio-3. Estos son los dos únicos isótopos estables del helio. Consulte la siguiente tabla para conocer los valores de estas cantidades físicas. La densidad del helio-4 líquido en su punto de ebullición y una presión de una atmósfera (101,3 kilopascales) es de aproximadamente 125 g/L (0,125 g/ml), o aproximadamente un octavo de la densidad del agua líquida.
Licuefacción
El helio fue licuado por primera vez el 10 de julio de 1908 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en la Universidad de Leiden en los Países Bajos. En aquella época, el helio-3 era desconocido porque aún no se había inventado el espectrómetro de masas. En décadas más recientes, el helio líquido se ha utilizado como refrigerante criogénico (que se utiliza en crioenfriadores), y el helio líquido se produce comercialmente para su uso en imanes superconductores como los utilizados en imágenes por resonancia magnética (MRI), resonancia magnética nuclear (NMR).), Magnetoencefalografía (MEG) y experimentos de física, como la espectroscopia de Mössbauer de baja temperatura. El Gran Colisionador de Hadrones contiene imanes superconductores enfriados con 120 toneladas de helio líquido.
Helio-3 licuado
Un átomo de helio-3 es un fermión y, a temperaturas muy bajas, forman pares de Cooper de dos átomos que son bosónicos y se condensan en un superfluido. Estos pares de Cooper son sustancialmente más grandes que la separación interatómica.
Características
La temperatura requerida para producir helio líquido es baja debido a la debilidad de las atracciones entre los átomos de helio. Para empezar, estas fuerzas interatómicas en el helio son débiles porque el helio es un gas noble, pero las atracciones interatómicas se reducen aún más por los efectos de la mecánica cuántica. Estos son importantes en el helio debido a su baja masa atómica de aproximadamente cuatro unidades de masa atómica. La energía del punto cero del helio líquido es menor si sus átomos están menos confinados por sus vecinos. Por lo tanto, en el helio líquido, la energía de su estado fundamental puede disminuir mediante un aumento natural en su distancia interatómica promedio. Sin embargo, a mayores distancias, los efectos de las fuerzas interatómicas en el helio son aún más débiles.
Debido a las fuerzas interatómicas muy débiles en el helio, el elemento permanece líquido a presión atmosférica desde su punto de licuefacción hasta el cero absoluto. A temperaturas por debajo de sus puntos de licuefacción, tanto el helio-4 como el helio-3 sufren transiciones a superfluidos. (Consulte la tabla siguiente). El helio líquido sólo puede solidificarse a temperaturas muy bajas y presiones altas.
El helio-4 líquido y el raro helio-3 no son completamente miscibles. Por debajo de 0,9 kelvin a su presión de vapor saturado, una mezcla de los dos isótopos sufre una separación de fases en un fluido normal (principalmente helio-3) que flota sobre un superfluido más denso compuesto principalmente de helio-4. Esta separación de fases ocurre porque la masa total de helio líquido puede reducir su entalpía termodinámica al separarse.
A temperaturas extremadamente bajas, la fase superfluida, rica en helio-4, puede contener hasta un 6% de helio-3 en solución. Esto hace posible el uso a pequeña escala del refrigerador de dilución, que es capaz de alcanzar temperaturas de unos pocos mikelvins.
El helio-4 superfluido tiene propiedades sustancialmente diferentes a las del helio líquido ordinario.
Historia
En 1908, el físico holandés Kamerlingh-Onnes logró licuar una pequeña cantidad de helio. En 1923, asesoró al físico canadiense John Cunningham McLennan, quien fue el primero en producir cantidades de helio líquido casi según demanda.
El físico soviético Lev Landau realizó importantes trabajos iniciales sobre las características del helio líquido, ampliados más tarde por el físico estadounidense Richard Feynman.
En 1961, Vignos y Fairbank informaron de la existencia de una fase diferente del helio-4 sólido, denominada fase gamma. Existe para un rango estrecho de presión entre 1,45 y 1,78 K.
Datos
| Propiedades de helio líquido | Helio-4 | Helio-3 |
|---|---|---|
| Temperatura crítica | 5.2 K (−267.95 °C) | 3.3 K (−269.85 °C) |
| Punto de encuentro en una atmósfera | 4.2 K (−268.95 °C) | 3.2 K (−269.95 °C) |
| Presión mínima de fusión | 25 bar (360 psi) | 29 bar (420 psi) a 0.3 K (−272.850 °C) |
| Temperatura de transición superfluida a presión saturada de vapor | 2.17 K (−270.98 °C) | 1 mK en ausencia de un campo magnético |
Galería
Helio líquido (en una botella de vacío) a 4.2 K (−268.95 °C) y 1 bar (15 psi) hirviendo lentamente.
Lambda punto de transición: como el líquido se enfría a través de 2.17 K (−270.98 °C), la ebullición de repente se vuelve violenta por un momento.
Fase superfluida a temperatura inferior a 2.17 K (−270.98 °C). En este estado, la conductividad térmica es extremadamente alta. Esto hace que el calor en el cuerpo del líquido sea transferido a su superficie tan rápidamente que la vaporización tiene lugar sólo en la superficie libre del líquido. Por lo tanto, no hay burbujas de gas en el cuerpo del líquido.
El helio líquido está en la fase superfluida. Una película invisible delgada arrastra la pared interior del tazón y abajo en el exterior. Una gota. Se caerá en el helio líquido debajo. Esto repetirá hasta que la copa esté vacía, siempre que los restos líquidos estén superfluos.
