Hélio líquido

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Nesta série de vídeos sobre o hélio líquido (isótopo 4), Alfred Leitner, da Michigan State University, demonstra as propriedades e suas em temperaturas extremamente baixas.

Parte 1
Sobre o equipamento utilizado nos experimentos

Parte 2
Um pouco sobre as propriedades do hélio líquido

Transcrição dos vídeos:

Hélio Líquido II
O superfluído

Demonstrações por Alfred Leitner – Departamento de Física Universidade do Estado de Michigan

Nós apenas transferimos um pouco do nosso hélio líquido de nosso reservatório para o equipamento.
Hélio é uma substância notável ela tem duas fases líquidas diferentes e de fácil distinção, uma quente e uma mais fria. A quente é chamada de hélio líquido I e a fase mais fria chamada de hélio líquido II.

As duas fases são diferentes, devido um ponto de temperatura de transição chamado ponto lambda quando o hélio líquido é resfriado passando pelo ponto lambda, transição do hélio I para o hélio II é claramente visível. Nós vamos mostrar para você, mais tarde nesse filme.

Os dois líquidos comportam-se diferente de quaisquer outros líquidos
embora podemos dizer que o comportamento do hélio I, o de fase mais quente, se aproxima do comportamento de líquidos comuns mas é o hélio II, o de fase mais fria, que é realmente diferente, por isso ele é chamado de superfluido.

A temperatura envolvida quando trabalhando com o hélio liquido é muito baixa, Hélio entra em ebulição em 4.2K, em condições de pressão atmosférica. E o ponto lambda permanece em 2.17K Perceba que isso corresponde a -269ºC e a -271ºC.

As propriedades do hélio líquido que estou façando para você, são características de um isótopo mais pesado o hélio IV. O elemento ocorre em dois isótopos estáveis, o segundo e mais leve é o hélio III é muito raro, sua abundância é apenas de uma parte por 10 milhões. Hélio líquido puro III é objeto de estudo intenso no momento presente. Mas até agora nenhuma fase secundária do superfluido foi encontrado para o hélio III.

A baixa temperatura na qual estaremos trabalhando pede por um recipiente bem isolado. O Dewar preenche os requisitos. A palavra
Dewar é o nome científico dado a um recipiente de paredes duplas, com um espaço entre as paredes com vácuo. Quando esses Dewars são feitos de vidro a superfície do espaço interno é feito de prata
Para reduzir a transferência de calor por radiação, embora os nossos Dewars precisam ser transparentes, para que possamos ver o que ocorre dentro. O hélio líquido é normalmente guardado em
Dewars de parede dupla. O sistema é bem simples, é só colocar um
dentro do outro. Desta maneira. No Dewar interno nós colocamos o hélio líquido e no espaço entre o Dewar interno e a externo nós colocamos um suprimento de ar líquido. Aqui temos um Dewar duplo, exatamente com a qual iremos usar nos experimentos de
demonstração. O Dewar interno está cheio de hélio líquido,
o Dewar externo contem ar líquido. O ponto normal de ebulição do ar líquido é de 80K, 75ºC mais quente que o hélio líquido, O propósito do ar líquido é o de envolver.Primeiro nós colocamos ar no Dewar externo,
para depois colocar o hélio líquido no Dewar interno, desse jeito
o Dewar interno está pré-resfriado.Depois mantemos um suprimento de ar líquido no Dewar externo, por que provem um manto de proteção adicional de isolamento. Agora que o hélio líquido está no Dewar interno.
A ebulição do ar líquido está ligado ao fato de estar absorvendo calor que entra no Dewar. Até com a ebulição do ar líquido, o hélio líquido
é claramente visível. Mais tarde usaremos o ar líquido abaixo do ponto de ebulição,para re-uso ou eliminar as bolhas do ar para garantir uma melhor visibilidade.

Agora o ar líquido é resfriado e nós eliminamos a ebulição, as pequenas bolhas do hélio líquido são claramente visíveis. A cobertura da Dewar interna tem um tampão, que no momento está aberto. O hélio líquido está em pressão atmosférica. Então sua temperatura é 4.2K.

Em outras palavras o que nós temos agora é hélio líquido I, a fase mais quente, antes de resfriar-lo, para olhar a fase do superfluído,
quero que nós visualizemos as propriedades propriedades do hélio líquido I.

Falei para vocês anteriormente que até o hélio I é diferente dos outros líquidos. A distância entre os átomos vizinhos são bem amplas. Os átomos não estão estreitamente empacotados como nos fluidos clássicos, e a razão para isso é mecânica quântica. O ponto de energia zero é relativamente mais importante aqui, do que em qualquer outro líquido. Como conseqüência o hélio líquido tem uma densidade, em massa, muito baixa, apenas cerca de 30% da densidade da água e tem também densidade óptica muito baixa, o índice de refração é bem perto de 1. Isso torna difícil de ver com o olho nu em condições normais de luminosidade. Vc deve estar familiarizado com o fato de que o átomo de hélio possui estrutura atômica fechada. Isso explica por que ele é um elemento quimicamente inerte. Isto também conta para o fato de uma pequena força que atrai os átomos vizinhos de hélio a chamada força de Van Der Waals, é fraca, desse jeito gastamos pouca energia para separarmos dois átomos de hélio , como por exemplo, na evaporação.

Isto confere ao hélio líquido um calor latente de evaporação muito baixo
apenas 5 cal são precisas para evaporar 1 grama, comparado com a água que precisa de 500 a 600 cal por grama. A fraca força de Van Der Waals combinada com o ponto zero de energia, também contribui para o fato hélio líquido não congelar e não se solidificar em pressões normais.
Não importa o quanto o resfriarmos. Contudo, o hélio foi solidificado em
altas pressões. O hélio líquido no Dewar esta a 4.2K, nós agora queremos baixar a temperatura até o ponto lambda, e mostrar a transição para a fase do superfluido, nosso método irá resfriar por evaporação através de uma bomba de vácuo.

Agora, o ponto lambda fica em 2.2K, 2K mais frio que a temperatura deste líquido. Mais uma vez, não muito calor é necessário
remover do hélio líquido, dentro do Dewar.

Para levar até o ponto lambda, precisa de apenas 250 cal. Não pense que o processo de resfriamento é fácil, pelo contrário, é difícil. Mais de um terço do líquido na Dewar tem que ser bombeada na forma de vapor
antes de se chegar abaixo do ponto lambda.

Isso requer um monte de bombeamento, isso explica essa grande e poderosa bomba de vácuo aqui. Até com essa bomba o processo leva um tempo considerável. Deixei me explicar por que é tão difícil chegar ao ponto lambda. Eu já mencionei anteriormente que o hélio líquido tem calor de evaporação muito pequeno. Apenas 5 calorias por grama.
Ao mesmo tempo, o hélio líquido em 4,2K, tem um calor específico muito alto, quase 1 caloria por grama. Portanto, um grama do vapor bombado, carrega somente uma quantidade de calor que pode esfriar somente
cinco ou seis gramas de hélio líquido, em 1 K. Isto não é muito esfriamento. É menos, por um fator de quase 100, que quando resfriamos a água por evaporação. A situação é ainda pior quando o processo de resfriamento está abaixo de 4.2K pq o calor específico do hélio líquido aumenta muito quando nos aproximamos de 2,17K, o ponto lambda. O calor de vaporização permanece quase o mesmo. Então uma certa quantidade de vapor produz menos e menos resfriamento conforme nos aproximamos de 2,17K.

Nosso termômetro aqui é um manômetro de baixa pressão, conectado a um espaço acima do hélio líquido, a agulha registra a pressão lá, que é a pressão de vapor saturado do hélio líquido. O manômetro é calibrado
para a temperatura correspondente. Nós chamamos de termômetro por pressão de vapor. Quando nos aproximamos de 2,17K a ebulição torna-se muito violenta. Repentinamente ela para. Esta é a transição. O líquido agora é o hélio II, a evaporação continua, mas não tem mais ebulição.

Líquidos comuns, como a água neste becker, entram em ebulição por causa da baixa condutividade de calor, antes do calor ser transportado de um ponto a um local mais frio no líquido, bolhas de vapor podem se
formar. Hélio I tem o comportamento de líquidos comuns neste aspecto. A ausência de ebulição no hélio II revela que essa fase age como se tivesse uma alta condutividade térmica. Como de fato o hélio líquido passa pelo ponto de transição lambda como vimos, a condutividade térmica aumenta por um fantástico fator de um milhão. A condutividade térmica do hélio II é muitas vezes maior do que elementos como a prata e o cobre que, entre os sólidos, são os melhores condutores de calor e ainda, aqui tratamos de um líquido! Por isso o hélio merece o título de superfluido.

Na verdade, o modo como o hélio II transporta essas grandes quantidades de calor tão rapidamente, é totalmente diferente dos conceitos clássicos da condutividade térmica. Voltarei com esse assunto mais tarde, junto com o experimento da demonstração do
´second sound´ no hélio II. Lembre, que esta grande mudança na condutividade térmica, ocorre em uma temperatura fixa de transição. O ponto lambda. A troca aqui é de fase é de um líquido para outro líquido.
Como dissemos antes, o calor específico do hélio líquido é muito grande
no ponto lambda. De fato, ele comporta-se semelhante mesmo abaixo do ponto lambda e cai novamente, muito rapidamente, com a temperatura. Esta descontinuidade no calor específico é outro aspecto do fato que estamos lidando com uma mudança de fase
na substância. Além disso, a curva se parece com a letra grega lambda. E a temperatura de transição recebeu seu nome do formato desta
curva.

Em breve estarão disponíveis as outras partes desta série de vídeos.

Fique atento, por ser um vídeo antigo algumas das informações podem não estar totalmente corretas.

Veja mais:
Hélio

Os vídeos de Alfred Leitner estão livres para download pelo site
http://alfredleitner.com/

Transcrição realizada com auxílio de Dison Franco.


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