Найти тему
⚠️ Инженерные знания

Какую жидкость невозможно набрать в ёмкость?

Представьте себе приятный теплый солнечный день. Только-только наступило утро и вы с бутылкой для воды идёте на родник, купаясь в росе и радуясь прекрасному преломлению световых лучей в каплях. На роднике вы видите струйку жидкости.

Летний родник
Летний родник

Размещаете емкость таким образом, чтобы она могла наполняться и тут обнаруживаете, что бутылка ведёт себя примерно как решето! Жидкость не может удержаться в сосуде. Ещё страшнее, если вода в емкости всё же остается, но за считанные секунды сама выползает обратно.

Нет, это не страшный сон. Просто вы пытаетесь набрать в бутылку сверхтекучий гелий, а для него не существует стенок сосуда. Дочитайте до конца и узнаете, в чем тут дело!

Хотя...Всё же оно больше похоже на сон :)...Гелиевый родник да и существование условий без лабораторных стендов, где может появиться сверхтекучий гелий, явно говорят о небольших проблемах с экологией.

Примерно так, только в любой ёмкости
Примерно так, только в любой ёмкости

Давайте обсудим это интересное явление и поговорим о сверхтекучем гелии и его нулевой вязкости. Для начала обговорим основные понятия, чтобы было понятно, в чем соль проблемы.

Вязкость жидкости

Мы уже много раз обсуждали агрегатные состояния и сказали, что жидкость - это одно из агрегатных состояний, где частицы не имеют строго упорядочивания, но зато сохраняют связь друг с другом. При этом сохраняется объем, но формы, как вы уже знаете, нет.

В виду того, что частицы связаны друг с другом в той или иной степени, у жидкости есть такое свойство, которое называется вязкостью.

В агрегатном состоянии жидкость частицы мешают друг другу перемещаться и формируют вязкость и внутреннее трение
В агрегатном состоянии жидкость частицы мешают друг другу перемещаться и формируют вязкость и внутреннее трение

Попробуйте перемешать ложкой сгущенку и молоко. Сгущенка явно более вязкая, потому что мешается она с большим трудом. Это означает, что молекулярные связи в её структуре достаточно сильные, чтобы сопротивляться перемешиванию. Они стараются "не отпустить одну частицу от другой". Кроме того, сами частицы "трутся" друг о друга, формируя внутреннее трение.

Можно даже наблюдать, как при перемешивании формируется что-то типа трещин на поверхности, которые, конечно же, очень быстро зарастают. Но факт того, что сгущенка уже очень "отдаленно" ведет себя как твердое тело в этом присутствует.

Другое дело молоко, которое прекрасно мешается ложкой и легко переливается!

Что способствует проникновению жидкости в поры

Теперь ближе подступимся к нашему примеру с бутылкой в самом начале.

Вспомните решето. Если попытаться набрать воду в решето, то она закономерно из него вытечет. Виноваты большие отверстия в сетке. Если же набрать воду в пластмассовый таз, то она останется в этом тазу.

Тут очень интересно рассмотреть процесс на молекулярном уровне. Если посмотреть структуру пластика под микроскопом, то во многих случаях там можно увидеть микро- и нано- поры. При этом жидкость, которую мы набрали в такой таз, физически не сможет пролезть через микро-поры.

Невидимые поры материала
Невидимые поры материала

Молекула жидкости тут больше. Ну а со стороны мы видим герметичную для воды емкость. Это примерно как просеивать через сито манку, а потом насыпать туда горох. Горох будет демонстрировать молекулы воды. Он не пролезет через сито.

Теперь возьмем решето, через которое легко прошла вода и заполним его сгущенкой. Не очень-то она стекает, правда? Всё дело в том, что сгущенка уже не пролезает в поры, а те частички, которые и могли бы провалиться, привязаны к окружающим. Не случайно мы вспомнили о вязкости чуть выше.

Чем выше вязкость, тем сложнее протащить жидкость через сито и наоборот.

Сверхтекучесть и сверхтекучий гелий

Подставьте, что возможно существование жидкости без вязкости!

Её поведение будет характеризоваться термином сверхтекучесть. Такая жидкость может появиться в лабораторных условиях или при повторении обозначенных физических параметров вне лаборатории, что теоретически может произойти где-то в космосе.

Диаграмма состояния для гелия
Диаграмма состояния для гелия

Пытливый читатель спросит: Как сверхтекучая жидкость может существовать вообще? Ведь по идее, её существование означает, что все связи между частицами полностью отсутствую. Это будет уже не агрегатное состояние "жидкость".

Тут мы сталкиваемся с довольно сложной физической моделью, которая объясняется уже через квантовые механизмы взаимодействия. Интересно обозначить, что как такового полноценного объяснения процесса не существует до сих пор!

Нам нужно запомнить сейчас только, что отсутствие внутреннего трения не означает отсутствия взаимодействия и связей между частицами, и не подразумевает, что жидкость распадётся на атомы.

Если сверхтекучая жидкость попадёт в обычную, герметичную на первый взгляд, ёмкость, то она пройдёт этот сосуд насквозь. Примерно как вода проходит решето. Ведь и емкость, которую мы видим герметичной, на самом деле таковой не является. Она вся покрыта микропорами в том или ином количестве и между частицами её составляющими есть некоторое пустое пространство. Благодаря отсутствию внутреннего трения их и использует для прохождения сверхтекучий гелий.

Фотография классического эксперимента-демонстрации. Гелий проходит сквозь герметичный стакан!
Фотография классического эксперимента-демонстрации. Гелий проходит сквозь герметичный стакан!

Возможен и ещё один очень интересный вариант. Если сверхтекучая материя и не сможет просочиться сквозь поры, то она поползёт по стенке. Ведь для неё нет никакого трения и, поочередно притягиваясь всё к новым и новым точкам, частицы жидкости будут ползти по стенке, пока сосуд не освободится.

Вот так жидкость убегает из тигля
Вот так жидкость убегает из тигля
Сверхтекучий гелий - это фазовое состояние одного из изотопов гелия, в котором он проявляет свойства жидкости с нулевой вязкостью. Течёт без трения по любой поверхности и протекает через любые поры и несплошности.

Ну и наверное закономерный вопрос - только ли гелий может проявлять подобные свойства? Долгое время, ученые считали, что да. Но относительно недавно выяснилось, что и многие другие элементы при определенных условиях демонстрируют свойства сверхтекучести.

Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!

Статьи по теме на моем канале:

Ещё кое-что полезное:

  • Путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь
  • Присоединяйся к моей телеге