Το ήλιο ανήκει στην ομάδα των ευγενών αερίων. Το υγρό ήλιο είναι το πιο κρύο υγρό στον κόσμο. Σε αυτή τη συνολική κατάσταση, έχει μια σειρά από μοναδικά χαρακτηριστικά, όπως η υπερρευστότητα και η υπεραγωγιμότητα. Θα μάθουμε περισσότερα για τις ιδιότητές του αργότερα.
αέριο ήλιο
Το ήλιο είναι μια απλή ουσία ευρέως κατανεμημένη στο Σύμπαν σε αέρια κατάσταση. Στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev είναι ο δεύτερος και είναι αμέσως μετά το υδρογόνο. Αναφέρεται σε αδρανή ή ευγενή αέρια.
Το στοιχείο ορίζεται ως "Αυτός". Από τα αρχαία ελληνικά το όνομά του σημαίνει «Ήλιος». Αρχικά θεωρήθηκε ότι ήταν μέταλλο. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι πρόκειται για μονοατομικό αέριο. Το ήλιο είναι το δεύτερο ελαφρύτερο χημικό και είναι άγευστο, άχρωμο και άοσμο. Έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού.
Υπό κανονικές συνθήκες, είναι ιδανικό αέριο. Εκτός από αέριο, είναι ικανό να βρίσκεται σε στερεή και υγρή κατάσταση. Η αδράνειά του εκδηλώνεται σε ανενεργή αλληλεπίδραση με άλλες ουσίες. Είναι πρακτικά αδιάλυτο στο νερό. Για βιομηχανικούς σκοπούς, εξάγεται από φυσικό αέριο, διαχωρίζοντάς το από ακαθαρσίες μεχρησιμοποιώντας ισχυρή ψύξη.
Το αέριο μπορεί να είναι επικίνδυνο για τον άνθρωπο. Η αύξηση της συγκέντρωσής του στον αέρα οδηγεί σε έλλειψη οξυγόνου στο αίμα, που στην ιατρική ονομάζεται πείνα με οξυγόνο. Όταν λαμβάνεται σε μεγάλες ποσότητες, προκαλεί εμετό, απώλεια συνείδησης και μερικές φορές θάνατο.
Υγροποίηση ηλίου
Οποιοδήποτε αέριο μπορεί να μεταβεί σε υγρή κατάσταση συσσωμάτωσης υπό ορισμένες συνθήκες. Η υγροποίηση χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία καθώς και στην επιστημονική έρευνα. Για ορισμένες ουσίες, αρκεί απλώς να αυξηθεί η πίεση. Άλλα, όπως το ήλιο, γίνονται υγρά μόνο όταν ψύχονται.
Αν η θερμοκρασία του αερίου είναι πάνω από το κρίσιμο σημείο, δεν θα συμπυκνωθεί, ανεξάρτητα από την πίεση. Για το ήλιο, το κρίσιμο σημείο είναι 5,19 Kelvin, για το ισότοπό του 3He είναι 3,35 K.
Το υγρό ήλιο είναι ένα σχεδόν τέλειο υγρό. Χαρακτηρίζεται από την απουσία επιφανειακής τάσης, ιξώδους. Μετά την αλλαγή της πίεσης και της θερμοκρασίας, ο όγκος του παραμένει ο ίδιος. Το υγρό ήλιο έχει εξαιρετικά χαμηλή τάση. Η ουσία είναι άχρωμη και πολύ ρευστή.
Ιδιότητες του υγρού ηλίου
Σε υγρή κατάσταση, το ήλιο διακρίνεται ελάχιστα, επειδή διαθλά ασθενώς τις ακτίνες του φωτός. Υπό ορισμένες συνθήκες, έχει τις ιδιότητες ενός κβαντικού υγρού. Εξαιτίας αυτού, σε κανονική πίεση, δεν κρυσταλλώνεται ακόμη και σε θερμοκρασία −273,15 Κελσίου (απόλυτο μηδέν). Όλες οι άλλες γνωστές ουσίες στερεοποιούνται υπό αυτές τις συνθήκες.
Η θερμοκρασία στην οποία το υγρό ήλιο αρχίζει να βράζει είναι -268,9 βαθμοί Κελσίου. Οι φυσικές ιδιότητες των ισοτόπων του ποικίλλουν σημαντικά. Για παράδειγμα, το ήλιο-4 βράζει στους 4,215 K.
Είναι ένα υγρό Bose, το οποίο χαρακτηρίζεται από μεταβάσεις φάσης σε θερμοκρασίες 2, 172 Kelvin και κάτω. Η φάση He II χαρακτηρίζεται από υπερρευστότητα και υπερθερμική αγωγιμότητα. Σε θερμοκρασίες κάτω από τη φάση, τα He I και He II εμφανίζονται ταυτόχρονα, λόγω των οποίων εμφανίζονται δύο ταχύτητες ήχου στο υγρό.
Ηλιο-3 είναι ένα υγρό Fermi. Βράζει στα 3,19 Kelvin. Ένα ισότοπο μπορεί να επιτύχει υπερρευστότητα μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (μερικά millikelvins) όταν υπάρχει επαρκής έλξη μεταξύ των σωματιδίων του.
Υπερρευστότητα ηλίου
Η επιστήμη οφείλει τη μελέτη της έννοιας της υπερρευστότητας στους Ακαδημαϊκούς S. P. Kapitsa και L. D. Landau.
Ο ακαδημαϊκός κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αφού η θερμοκρασία του ηλίου πέσει κάτω από τους 2.172 Κ, η ουσία περνά από τη φάση της κανονικής κατάστασης σε μια εντελώς νέα, που ονομάζεται ήλιο-ΙΙ. Σε αυτή τη φάση, η ουσία περνά μέσα από τα τριχοειδή αγγεία και τις στενές οπές χωρίς την παραμικρή τριβή. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται "υπερρευστότητα".
Το 1941 ο Landau L. D. συνέχισε να μελετά τις ιδιότητες του υγρού ηλίου και ανέπτυξε τη θεωρία της υπερρευστότητας. Εξηγώτο πήρε με κβαντικές μεθόδους, εφαρμόζοντας την έννοια του ενεργειακού φάσματος των διεγέρσεων.
Εφαρμογές ηλίου
Το στοιχείο ήλιο ανακαλύφθηκε στο φάσμα του Ήλιου το 1868. Στη Γη, ανακαλύφθηκε από τον William Ramsay το 1895, μετά το οποίο μελετήθηκε για μεγάλο χρονικό διάστημα και δεν χρησιμοποιήθηκε στον οικονομικό τομέα. Στη βιομηχανική δραστηριότητα, άρχισε να χρησιμοποιείται ως καύσιμο για αερόπλοια κατά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο.
Το αέριο χρησιμοποιείται ενεργά για συσκευασία στη βιομηχανία τροφίμων, στην τήξη μετάλλων. Οι γεωλόγοι το χρησιμοποιούν για να ανιχνεύσουν ρήγματα στον φλοιό της γης. Το υγρό ήλιο χρησιμοποιείται κυρίως ως ψυκτικό μέσο ικανό να διατηρεί εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτή η ιδιότητα είναι απαραίτητη για επιστημονική έρευνα.
Το ψυκτικό υγρό χρησιμοποιείται σε κρυογονικές ηλεκτρικές μηχανές, σε μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας, σε συσκευές ιατρικών τομογράφων NMR, σε επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων.
Συμπέρασμα
Το ήλιο είναι ένα αδρανές ή ευγενές αέριο που παρουσιάζει χαμηλή δραστηριότητα σε αλληλεπίδραση με άλλες ουσίες. Στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων βρίσκεται στη δεύτερη θέση, πίσω από το υδρογόνο. Στη φύση, η ύλη βρίσκεται σε αέρια κατάσταση. Υπό ορισμένες προϋποθέσεις, μπορεί να μεταβεί σε άλλες καταστάσεις συνάθροισης.
Το κύριο χαρακτηριστικό του υγρού ηλίου είναι η υπερρευστότητά του και η ανικανότητά του να κρυσταλλωθεί σε κανονική πίεση, ακόμα κι αν η θερμοκρασία φτάσει στο απόλυτο μηδέν. Οι ιδιότητες των ισοτόπων μιας ουσίας δεν είναι ίδιες. Η κριτική τουςοι θερμοκρασίες, οι συνθήκες βρασμού τους και οι περιστροφές των σωματιδίων τους.
