Efeito de fonte
O efeito de fonte é o jato espetacular de líquido superfluido para fora do recipiente quando submetido a um pequeno aumento de temperatura . Este efeito também é conhecido como efeito termomecânico . Foi descoberto em 1938 durante o trabalho no isótopo 4 He do hélio superfluido (denominado "hélio II", em oposição ao "hélio I" que é o estado de hélio líquido não superfluido no mundo. Acima da temperatura crítica ou ponto lambda -270,97 ° C ).
Descrição
A configuração experimental consiste em um tubo aberto preenchido com um material poroso , por exemplo um pó fino de esmeril no experimento original, colocado em um banho de hélio II. O material poroso tem uma função de filtro, através da qual só pode passar o hélio II, superfluido portanto de viscosidade zero. Uma extremidade do tubo é estendida por um tubo mais fino, cuja saída excede o nível do banho em alguns centímetros.
Quando o tubo é iluminado, os grãos do pó absorvem a radiação luminosa e, assim, produzem calor, criando um gradiente de temperatura. Por um fenômeno de convecção , o hélio II do banho é transportado para a zona aquecida do tubo. Isso provoca a emissão contínua de um jato de hélio que pode atingir várias dezenas de centímetros de altura na saída do tubo, emissão que cessa quando a lixa deixa de ser iluminada. Outro método de aquecimento de ponto é fazer circular uma corrente elétrica através de um resistor colocado dentro do tubo.
A altura do jato é variável e aumenta com o gradiente de temperatura imposto ao sistema; é uma função decrescente do tamanho dos grãos do pó. Quando o jato é pequeno, o hélio cai de volta no banho ao redor do tubo, mas se a altura do jato for grande, o hélio se vaporiza na atmosfera do criostato .
Explicação
Modelo de dois fluidos
De acordo com o modelo de dois fluidos de László Tisza , o hélio líquido abaixo do ponto lambda é composto por uma mistura de átomos no estado fundamental (superfluido) e átomos em estados excitados, sendo este último composto como um líquido comum com, em particular, um não-zero viscosidade. Perto do zero absoluto , a proporção de átomos em estados excitados é muito baixa; quando a temperatura se aproxima do ponto lambda, a proporção de líquido superfluido diminui. O líquido superfluido transportado por convecção passa pelo filtro aquecido (pó de esmeril), enquanto a proporção do líquido normal, que é muito viscoso, não consegue passar. Conforme a concentração de hélio normal e superfluido muda, uma diferença de pressão osmótica é criada entre a entrada do tubo no banho e sua parte superior. O líquido superfluido se acumula no tubo superior e não tem outra opção a não ser sair como um jato.
Considerações termodinâmicas
Devido à sua condutividade térmica muito alta , o hélio II retorna quase instantaneamente ao equilíbrio termodinâmico quando é aquecido localmente. Assim, a variação do potencial químico do sistema pode ser considerada zero durante um pequeno aumento de temperatura:
Em seguida, obtemos a fórmula de Londres:
Isso significa que um gradiente de temperatura é imediatamente compensado por um gradiente de pressão , que faz com que o hélio seja expelido para fora do tubo. O efeito de fonte não é observado em líquidos normais porque eles demoram mais para recuperar o equilíbrio térmico após o aquecimento local.
A partir da fórmula de Londres, é possível para um dado set-up experimental calcular a altura do jato de hélio em função da temperatura do banho e do gradiente de temperatura aplicado. A validade desta abordagem foi verificada experimentalmente para -272,95 ° C .
Formulários
O efeito de fonte pode ser usado como um regulador de temperatura: em materiais supercondutores , um aumento na temperatura pode levar a uma perda indesejada de supercondutividade. A instalação de um material poroso em contato com um banho de hélio II próximo a um supercondutor em operação permite o controle de sua temperatura: em caso de aquecimento, um jato de hélio II resfria o material.
Referências
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