 Helio líquido en un recipiente transparente , enfriado por debajo del punto Lambda , donde presenta propiedades de superfluidez. | |
| Propiedades | |
|---|---|
| Él | |
| Masa molar | 4,002 602 g · mol −1 |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
| Referencias de Infobox | |
El helio líquido es un estado físico del helio, a temperaturas muy bajas si se encuentra 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 (aproximadamente 4 K o -452,2 ° F). Su punto de ebullición y punto crítico dependen del isótopo de helio presente: el isótopo común helio-4 o el isótopo raro helio-3 . Estos son los únicos dos isótopos estables de helio. Consulte la tabla siguiente 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 0,125 gramos por cm 3., o aproximadamente 1/8 de la densidad del agua líquida . [1]
Licuefacción [ editar ]
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 . [2] En ese momento, se desconocía el helio-3 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 que se utilizan en imágenes por resonancia magnética (MRI), resonancia magnética nuclear (NMR). ), Magnetoencefalografía(MEG) y experimentos en física , como la espectroscopia de Mössbauer a baja temperatura .
Helio-3 licuado [ editar ]
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 [ editar ]
La temperatura requerida para producir helio líquido es baja debido a la debilidad de las atracciones entre los átomos de helio. Estas fuerzas interatómicas en el helio son débiles para empezar 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, su energía de estado fundamentalpuede disminuir por 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. [3]
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 . El helio líquido solidifica solo a muy bajas temperaturas y grandes presiones . A temperaturas por debajo de sus puntos de licuefacción, tanto el helio-4 como el helio-3 experimentan transiciones a superfluidos . (Consulte la tabla a continuación). [3]
El helio-4 líquido y el raro helio-3 no son completamente miscibles . [4] Por debajo de 0,9 kelvin a su presión de vapor saturada , una mezcla de los dos isótopos se somete a una separación de fases en un fluido normal (principalmente helio-3) que flota en un superfluido más denso que consiste principalmente en helio-4. [ cita requerida ] 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 milikelvins . [4] [5]
El helio-4 superfluido tiene propiedades sustancialmente diferentes del helio líquido ordinario. Cuesta $ 11.25.
Historia [ editar ]
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 bajo demanda. [6]
El físico soviético Lev Landau realizó un trabajo temprano importante sobre las características del helio líquido , que luego amplió el físico estadounidense Richard Feynman .
Datos [ editar ]
| Propiedades del helio líquido | Helio-4 | Helio-3 |
|---|---|---|
| Temperatura crítica [3] | 5,2 K | 3,3 K |
| Punto de ebullición a una atmósfera [3] | 4,2 K | 3,2 K |
| Presión mínima de fusión [7] | 25 atm | 29 atm a 0,3 K |
| Temperatura de transición de superfluidos a presión de vapor saturada | 2,17 K [8] | 1 mK en ausencia de un campo magnético [9] |
Galería [ editar ]
Helio líquido (en una botella al vacío) a 4,2 K y 1 atm, hirviendo lentamente.
Transición del punto lambda: a medida que el líquido se enfría a 2,17 K, la ebullición se vuelve repentinamente violenta por un momento.
Fase superfluida a temperatura por debajo de 2,17 K. En este estado, la conductividad térmica es extremadamente alta. Esto hace que el calor del cuerpo del líquido se transfiera a su superficie tan rápidamente que la vaporización tiene lugar solo en la superficie libre del líquido. Por tanto, no hay burbujas de gas en el cuerpo del líquido.
Ver también [ editar ]
- Gas industrial
- Criogenia
- Superfluido
- Helio-4 superfluido
- Relación de expansión
- Nitrógeno líquido
- Oxígeno líquido
- Hidrógeno líquido
- Aire liquido
- Supersólido
- Fuga de helio líquido en el Gran Colisionador de Hadrones de 2008
- Helio-3 superfluido
Referencias [ editar ]
- ^ "Las propiedades observadas del helio líquido a la presión de vapor saturado" . Universidad de Oregon . 2004.
- ^ Wilks, pág. 7
- ↑ a b c d Wilks, pág. 1.
- ^ a b D. O. Edwards; DF Brewer; P. Seligman; M. Skertic y M. Yaqub (1965). "Solubilidad de He3 en He4 líquido a 0 ° K". Phys. Rev. Lett . 15 (20): 773. Código bibliográfico : 1965PhRvL..15..773E . doi : 10.1103 / PhysRevLett.15.773 .
- ^ Wilks, pág. 244.
- ^ LA VIDA DE SIR JOHN CUNNINGHAM McLENNAN Ph.D, FRSC, FRS, OBE, KBE (1867-1935), Física de la Universidad de Toronto http://www.physics.utoronto.ca/overview/history/mclennan/MCLENN3.htm
- ^ Wilks, págs. 474–478.
- ^ Wilks, pág. 289.
- ^ Dieter Vollhart y Peter Wölfle (1990). Las fases superfluidas del helio 3 . Taylor y Francis. pag. 3.
- General
- J. Wilks (1967). Las propiedades del helio líquido y sólido . Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-851245-7.
- Física de congelación: Heike Kamerlingh Onnes y la búsqueda del frío, Van Delft Dirk (2007). Edita: la editorial de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos. ISBN 978-90-6984-519-7 .
Enlaces externos [ editar ]
- Diagramas de fase He-3 y He-4, etc.
- Diagrama de fase helio-3, etc.
- Liquidación de helio de Onnes
- Artículo de 1908 de Kamerlingh Onnes, en línea y analizado en BibNum [para el análisis en inglés, haga clic en 'à télécharger']
