Вихревая модель Букреева
Ответить
Букреев
Участник
Баланс:278
 
Сообщения: 31
Регистрация: 18.03.2020

Сверхтекучесть по Капице

Букреев » 05.04.2020 11:44

+
0
-
П. Капица ввёл термин сверхтекучесть для явления,

Изображение

которое сверхтекучестью в действительности не является. Ведь на рисунке показана спиралька, которая нагревает гелий. Ситуация в талантливо поставленном эксперименте полностью идентична ситуации с вихрем над нагретым солнцем склоном холма, который широко используют парапланеристы и дельтапланеристы. Известно, что влажный воздух легче сухого. Солнце нагрело склон холма, от которого нагрелся воздух. Поднимающийся тёплый воздух закручивается силой Кориолиса и охлаждается, конденсируя влагу при охлаждении. Влага уходит в кучевое облачко над склоном, а охлаждённый воздух опускается вниз, силой Кориолиса закручиваясь в обратном направлении. Двигаясь по склону он набирается влажности и вновь поднимается вверх, формируя в итоге вихрь. Т.е. над склоном холма возникает вихрь Бенара, к которому на какое-то время приклеилось кучевое облачко. Перестало солнце греть склон и вихрь Бенара исчез.

И ведь уже было экспериментально получено, что ниже температуры 2,190 K гелий 2 вытекает из сосуда по тонкой плёнке.

Изображение

И более того было выяснено [2]. «Гелий II выпускали из сосуда через узкую щель. Оказалось, что жидкость в сосуде каким‑то непостижимым образом нагревается, а вытекающий гелий, наоборот, охлаждается. Создавалось впечатление, что гелий II, покидая сосуд, «великодушно» оставляет там свое тепло.» По этому поводу оставалось только недоумённо чесать затылок, чем физики успешно занимаются и по сей день. Ничего не прояснила и гипотеза Л.Д. Ландау, за которую он получил нобелевскую премию. Ведь за кадром осталось и наблюдение П.Л. Капицы. ««пульсации давления, совершенно случайно передаваемые из лабораторной сети гелиевого трубопровода на гелий в капилляре, сильно изменяли его теплопроводность. Хотя пульсации были очень малы, но они уменьшали теплопроводность гелия-II в десятки раз.»

Кукловодом этого явления вновь является вихревое движение. Как и любая жидкость гелий имеет структуру из элементарных вихрей в форме вихрей Бенара. А вихри могут иметь как правое, так и левое направление вращения.

Изображение

Хорошим примером на эту тему является вода, имеющая пара и орто состояния (в парообразном состоянии отношение пара к орто равно 3/1). Как известно ниже 40 С вода начинает расширяться. Следовательно при 40 С отношение пара к орто равно 1/1, что и определяет это свойство воды. Гелий, также как и водород, в виде газа также имеет пара и орто состояния, что и привело к гипотезе существования спина у элементарных частиц. Но может ли спин существовать у воды, имеющей пара и орто состояния? В то же время изменение направления вращения в элементарных вихрях выравнивает шансы на создание пара и орто состояния и для газов, и для воды. Кстати, парамагнетики от диамагнетиков также различаются направлением вращения замороженных в твёрдом состоянии направлением вращения элементарных вихрей, что будет рассмотрено позднее.

Сразу же возникает вопрос чем же определяется температура. В современной физике она определяется хаосом в движении молекул газа, оставляя за кадром механизм создания температуры в жидкостях. Хотя в 50 годах прошлого века было обнаружено, что кристаллическая структура имеется в газе у поверхности твёрдого тела, что вызвало возникновение в статистической физике кластерного направления исследований. Кластеры же это ничто иное как элементарные вихри. И существуют они не только у поверхности твёрдого тела, но и во всём объёме, занимаемым газом.

Элементарные вихри как жидкости так и газа обладают как кинетической энергией движения, так и энергией вращения. А это и позволяет подобраться к механизму создания температуры. Рассмотрим для этого трубку Ранка.

Изображение

Как известно, в диапазоне 5-9 атм обратный поток трубки охлаждает воздух. При этом обратный поток имеет направление вращения обратное направлению вращения, создаваемому тангенциальными вводами. И кинетическая энергия единицы объёма обратного потока больше больше такой же величины для входящего в трубку потока. Энергия же в трубку ниоткуда не поступает и никуда не исчезает. Следовательно в трубке идёт перераспределение энергии между её составляющими: кинетической энергией и энергией вращения. Кинетическая энергия обратного потока возросла, следовательно уменьшилась энергия вращения элементарных вихрей, что и вылилось в понижении температуры обратного потока. Кстати, вращение поднимающегося потока в вихре над нагретым солнцем склоном холма по этому же механизму понижает его температуру и конденсирует влагу. Внутренний поток вихря от наружного воздуха охладиться не может, он изолирован от окружения внешним потоком.

Выше 2,190 K гелий находится в одном состоянии, в котором присутствуют элементарные вихри как левого, так и правого направления вращения. При переходе через 2,190 K гелий скачком избавляется от одного из состояний (если судить по воде, то от пара состояния). Элементарные вихри при этом хотя и имеют одно направление вращения, но двигаются они в хаотических направлениях.

Изображение

Для движения же в определённом направлениии элементарные вихри обязаны повернуться в направлении движения своего хобота. Выше 2,190 K хаос в расположении элементарных вихрей не позволяет им упорядочиться у стенки сосуда. Ниже же этой температуры вихри у стенки сосуда приобретают одно направление движения.

Изображение

Легко видеть, что в месте контакта появляется в тангенциальном направлении сила трения скольжения. И по правилу прецессии противодействующая сила действует в перпендикулярном направлении, т.е. в направлении движения хобота элементарного вихря, что и формирует перетекание гелия в положении 3 рис 2.

Таким образом, увеличение кинетической энергии пристеночного слоя элементарных вихрей сопровождается уменьшением их энергии вращения. А мы только что выяснили, что уменьшение энергии вращения это понижение температуры. А в сосуд с гелием энергия ниоткуда не поступает и никуда не исчезает. Поэтому слой элементарных вихрей, уносящий из сосуда холод, «своё тепло дарит» оставшейся в сосуде массе гелия.

Но почему же П.Л. Капица наблюдал, что минимальные пульсации давления в гелиевом тракте существенно уменьшали теплопередачу гелия? И вновь вину за это явление берёт на себя вихревое движение. Лет 15 назад мы с сыном провели простенький эксперимент. На штуцер тройника омывателя стекла Жигулей подали воду насосом Малыш, уменьшив подаваемое на него напряжение примерно до 130 в. На боковой штуцер подсоединили насос омывателя, на котором импульсно изменяли напряжение в диапазоне примерно 8-14 в для формирования импульсов, подаваемых в поток. Частоту импульсов напряжения могли менять в диапазоне 0-20 гц. В результате в диапазоне частот 2-4 гц было получено увеличение дальности полёта струи примерно на 20-25%. Ни при меньших частотах, ни при больших частотах не наблюдалось увеличения дальности полёта струи. Увеличение дальности полёта струи возможно только в случае создания в жидкости сверхтекучего состояния, т. е. создания последовательности вихрей Бенара, двигающихся в направлении движения потока.

В наблюдаемом П.Л. Капицей явлении незначительные колебания давления формировали последовательность вихрей Бенара, в которую включались и элементарные вихри у стенки, что и изменяло теплопроводность системы. В отсутствии же пульсаций давления струя, вылетающая из капилляра хотя и взаимодействует с элементарными вихрями пристеночного слоя, тем не менее единого вихревого объекта не формирует. Ведь в вихрях Бенара, которыми и являются элементарные вихри, также действует правило прецессии для хобота и для периферии. Т.е. кинетическая энергия хобота не может переходить в кинетическую энергию периферии. Перпендикулярность взаимодействия правила прецессии диктует, что вершине вихря кинетическая энергия хобота переходит в энергию вращения периферии. В интуитивно понятных обозначениях можно записать.
Eкх=Eвп
Eкх=mхvх2/2
Eвп=Jпωп2/2
В свою очередь кинетическая энергия периферии в основании вихря переходит в энергию вращения хобота.
Eкп=Eвх
Eкп=mпvп2/2
Eвх=Jхωх2/2

При наличии пульсаций давления вылетающая из капилляра струя функционально связана с пристеночным слоем элементарных вихрей: т. е. появляется перпендикулярная связь двух масс. При отсутствии же пульсаций правило прецессии не действует. Т.е. исчезает связь кинетической энергии струи с энергией вращения пристеночного слоя. Взамен же появляется линейная связь двух кинетических энергий
Eкк=Eкс
кинетической энергией массы гелия в капилляре и кинетической энергией пристеночного слоя. Поэтому П.Л. Капица и смог зафиксировать разницу в двух состояниях: т. е. «пульсации среды уменьшали теплопроводность гелия в десятки раз». Таким образом, П.Л. Капица сверхтекучее состояние всё же получил, но приписал его не тому явлению. А Л.Д. Ландау же свою нобелевскую премию получил за холостой выстрел в никуда.

Литература.
[1] П.Л. Капица. Проблемы жидкого гелия. Доклад на общем собрании Академии Наук СССР. http://www.vitart.ru/kapitsa/1-3-Proble ... elium.html
[2] https://coollib.com/b/246392/read
[3] https://bvs1940.wixsite.com/mysite/sver ... p-l-kapice
Поделиться:

Ответить    ПОМОЩЬ по форуму!