Estado especial da materia: helio superfluido

1988/04/01 Legarreta, J. A. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Diagrama do tres estados normais de agregación da materia. Nel indícanse os procesos que se deben realizar paira pasar dun a outro. Na materia común a temperatura diminúe ou aumenta dun estado a outro. A toma de temperatura dá lugar aos procesos denominados cristalización, solidificación e condensación. Por quecemento, sublimación, fusión e evaporación.

A través da mellora das técnicas, os investigadores tiveron a oportunidade de traballar a altas temperaturas e atoparon un estado iónico que deu lugar ao segundo estado gaseoso chamado plasma. A continuación, os astrónomos, xunto co descubrimento das estrelas de neutrón, deron lugar a un segundo estado sólido denominado materia hiperdensa. A capacidade de traballar a temperaturas moi baixas deu lugar ao segundo estado líquido, denominado estado superfluido. El desafía as leis máis consistentes do estado líquido, cuxa interpretación, mesmo a nivel atómico, é moi difícil e discutida.

Neste pequeno traballo falaremos do estado superfluido do helio, o superfluido máis raro que atoparon os físicos.

Características do helio

Foi descuberto polos astrónomos no sol e posteriormente foi identificado entre os gases máis escasos da atmosfera. O helio que se pode atopar na atmosfera é principalmente 4 2 Hei, estando o isótopo 3 2 Hei nunha porcentaxe de 10-7%.

En 1.868 descubriuse o helio na atmosfera do sol grazas ao espectoógrafo. Púidose conseguir quentando determinados minerais na terra. Até a explotación dos xacementos de gas natural, a produción de helio era moi reducida, pero suficiente paira as necesidades de laboratorio.

A nivel atómico, aínda que a do helio tras o hidróxeno é moi simple (dous protones, dous neutróns, dous electróns), como dixemos antes, é o superfluido que adopta a conduta máis rara.

Helio superfluido

Cara a 1900 os investigadores comezaron a licuar todos os gases coñecidos.

Como é sabido, calquera gas pode ser licuado e solidificado en condicións adecuadas por arrefriado até unha temperatura determinada. E máis aínda, canto maior é a presión sobre o gas, maior é a temperatura de licuefacción. Por exemplo, o propano e o butano poden estar licuados por simple compresión nunha botella a temperatura ambiente. Por tanto, na licuefacción dun gas podemos aproveitar tanto a presión como a temperatura paira conseguir o noso obxectivo.

A pesar de traballar a moi baixa presión na práctica, a licuefacción da maioría dos gases require temperaturas moi baixas, cun límite de cero absoluto (-273,16°C = OK). En efecto, o osíxeno a presión atmosférica require una temperatura de -218°C, o nitróxeno -210°C, o cloro -101°C e o neón -248°C. A pesar da dificultade que supuxo a licuefacción doutros gases, co tempo e sobre todo debido aos avances da técnica, foise obtendo a licuefacción de todos os gases. Uno dos gases que presentaba esta dificultade era o hidróxeno, cuxa temperatura de licuefacción (-260°C) é moi baixa. Por tanto, a temperatura de licuefacción do hidróxeno, moi próxima ao cero absoluto, dificultou enormemente aos investigadores, obtendo James Dewar en 1892.

Como todos sabemos, cando as moléculas están estancadas (é dicir, cando non hai movemento molecular), a enerxía cinética e por tanto a temperatura toman o valor cero. No cero absoluto non hai movemento molecular. Por tanto, ningunha molécula pode alcanzar un estado cero absoluto.

Así pois, como dixemos ao principio deste pequeno traballo, situarémonos no helio. En 1900 todos os gases, excepto o helio, foron licuados. Aínda que se traballaron todas as vías de licuefacción do helio, por unha banda, non se podía licuar e moito menos solidificar, e por outro, os investigadores que o fixeron pensaron que só podía estar en estado gaseoso, independentemente do seu valor de presión e temperatura.

De feito, a primeira afirmación é correcta, xa que só por refrixeración o helio non pode solidificarse. E en canto á segunda afirmación, hai que dicir que non é un gas sustentable, pero si o máis difícil de liquidar. A licuefacción do helio obtívoa o físico holandés Kammerling Onnes en 1908. Por tanto, todos os gases podían ser licuados ao pagar o que supuña traballar a baixa temperatura. Este descubrimento animou aos investigadores a aprender as características do helio líquido. Desde que comezaron a investigar estas características viron que eran moi sorprendentes, sen poder explicar o seu comportamento.

Entrada de recipiente poroso ao baño con helio superfluido: 1) O superfluido entra pola parede do recipiente poroso ata que o superfluido interior e o exterior atópanse á mesma altura. 2) Se xerásemos una corrente eléctrica instantánea a través de una resistencia eléctrica, o quecemento afectaría ao superfluido interno, penetrando no interior do recipiente paira anular o cambio do superfluido externo. 3) Debido ao fluxo de superfluidos desde o exterior do envase cara ao interior do mesmo, xérase una chorreada de superfluidos.

Paira empezar, a temperatura de licuefacción de 4 2 Hei é a máis pequena coñecida a presión normal (1 atm): -268,82°C (4,18K), é dicir, catro graos centígrados por encima do cero absoluto. 3 Respecto ao Hei 2, a temperatura de licuefacción é menor: -270°C (3,2K). Aínda que a temperatura diminúa por completo, até 0,001K, por exemplo, baixo presión ambiental non se poden solidificar os dous isótopos do helio.

Os líquidos obtidos ás temperaturas indicadas teñen as características de todos os líquidos, pero se a temperatura diminúe, ambos chegan ao estado de superfluos. 3 O Hei alcanza o estado de superfluido á temperatura 0,001K. En canto ao 4H, alcanza o seu estado de superfluido a unha temperatura de 2,17 K. Hoxe en día, os finlandeses teñen as ferramentas adecuadas paira conseguir temperaturas tan baixas e mantelas durante moito tempo. Nas seguintes liñas centrarémonos especialmente nas características do isótopo do helio de 4 pesos atómicos, que é o que presenta as características máis peculiares.

Leste isótopo do helio produce un líquido a unha temperatura de 4,18K, chamado Hei 1. Como xa se comentou anteriormente, una diminución da temperatura ao redor da temperatura de 2,17K fai que o Hei sufra una curiosa transformación á que se lle produce un cambio nas súas características físicas. Esta transformación parece una solidificación, pero segue sendo líquida. Se se alcanza a temperatura de 2,17 K, o 4Hei toma un estado de superfluido e esta nova forma denomínase Hei II.

Cales son as peculiaridades de Helio II?

Por encima da parede

A viscosidad é a propiedade de todos os fluídos, tanto dos gases como dos líquidos. A viscosidad representa a fricción interna do fluído, que transmite os efectos dun movemento a través do fluído ao unirse a dirección do mesmo. A unidade é o poema (P).

A viscosidad da auga a 25°C é de 0,01 P. Os líquidos pastosos teñen una viscosidad moi elevada e os cristais son infinitos. Pola contra, os gases presentan una viscosidad moi baixa. O helio superfluido non ten viscosidad, é dicir, é completamente fluído (fluído perfecto).

Por exemplo, una pinga de aceite deslízase por un cristal máis lentamente que una pinga de auga. Por tanto, o aceite ten una viscosidad maior que a auga. Pero o helio superfluido que se coñece baixa moito máis rápido que calquera líquido normal. Una pinga de helio superfluido deslizaríase polo cristal tan rápido como una bóla de chumbo caída no aire desde certa altura.

Pola contra, a diferenza dos líquidos normais, calquera obxecto que se move dentro do helio superfluido non atopa ningunha fricción.

Segundo unha lei de mecánica de fluídos, canto maior é o diámetro en movemento dun fluído, máis rápido flúe. Pola contra, Hei II adopta un comportamento totalmente oposto; en tubos de pequeno diámetro móvese máis rápido que nos grandes. Este comportamento lévanos a un curioso experimento: se enchésemos una xerra de cerámica sen esmaltar con helio superfluido, iría moi rápido pola parede. A auga quedaría dentro da xerra. Por tanto, Hei II é un fluído tan perfecto que pasa polos poros microscópicos da terra queimada.

Pero, se o gardásemos nun envase poroso, que pasaría? Podería pensarse que Hei II quedaría aí, é dicir, non se iría porque non hai poros. Con todo, isto non ocorre; comeza a subir pola parede interior do recipiente e baixa pola parede exterior coma se cada molécula marchásese escalando un muro. O proceso continúa até o baleirado do envase.

A) Se facemos virar o recipiente cunha mesa giratoria, en lugar de virar, segue parado. E é que este superfluido non ten viscosidad nin fricción nas paredes. Actúa coma se non tivese ningún contacto con eles. B) Mantense inmóbil respecto das estrelas que serven paira fixar as coordenadas astronómicas. A nave vira coa Terra cando o helio superfluido está completamente parado.

Este proceso non levaría a cabo por ningún líquido normal, xa que por unha banda a viscosidad impide o desprazamento capilar das láminas do líquido e pola tensión superficial o líquido tende a encher o menor volume posible e por outra banda debería superar a forza de gravidade sen recibir enerxía do exterior. Aquí introdúcese o segundo principio da termodinámica, que consiste en que o sistema autoprestado sempre perde enerxía, partindo á situación de maior desorde.

Así, Hei II supera todos os inconvenientes mencionados (viscosidad, tensión superficial, forza de gravidade e segundo principio da termodinámica). O proceso aproximaríase a que una capa de pequeno espesor do superfluido comeza a elevarse pola parede interior cubríndoo completamente. Ao chegar ao bordo do barco comeza a descender pola parede exterior. Neste momento a capa externa, baixo a influencia da gravidade, tira da capa interna, baleirando o recipiente. Por tanto, no proceso Hei II supera as barreiras dos líquidos normais antes mencionados.

Non lle gusta xiro

Se colocamos auga ou calquera outro líquido normal nun recipiente e facémolo virar o recipiente, tanto vertical como horizontalmente, a auga tamén comezará a virar sobre o eixo de xiro e coa forza centrífuga formarase un remolino ao redor do eixo. Isto non ocorre co helio II: Se fixésemos virar o recipiente cheo de Hei II en dirección vertical ou en calquera outra dirección, o superfluido seguiría inmóbil.

É máis, non só co laboratorio, senón tamén coas estrelas paradas, ata que o propio laboratorio vira coa Terra no Espazo. O superfluido, por tanto, atópase completamente parado respecto das direccións fixas que se toman como referencia en astronomía. A pesar de que o movemento do buque en calquera dirección (por suposto, téñense en conta xiros e translacións lentas e non se axitan ou envorcan o barco), o Hei cumpre esta característica. Neste experimento Hei II é una referencia estable respecto de todos os movementos do envase e compórtase como una peonza giroscópica.

Dado que o helio superfluido non ten viscosidad, non ten adherencia nin forza resistente ao desprazamento coas paredes do buque, é dicir, ao non afectar ao helio superfluido, cumpre o principio de inercia. En primeiro lugar, vexamos o que di este principio: un punto material que non está influenciado por ningunha forza está parado ou se move cun movemento rectilíneo uniforme. Como consecuencia deste príncipe temos a propiedade da materia chamada inercia. Esta propiedade indica que un corpo non pode cambiar de forma natural o seu estado de movemento ou repouso. Dado que ao helio superfluido non se lle transmite ningunha forza externa por fricción, Hei II segue inmóbil segundo o principio de inercia, una vez que o envase comezou a moverse.

En lugar de crear turbulencias ao redor do eixo de xiro (o que ocorre nos líquidos normais), o helio superfluido xira ao redor duns pequenos remolinos equidistantes.

Por outra banda, se se desprazase o helio superfluido, segundo o principio de inercia, este debería moverse cun movemento rectilíneo uniforme, xa que, como se indicou anteriormente, non existe forza resistente ao desprazamento. Esta afirmación pode demostrarse co seguinte experimento: desde que o Hei II esborrállese no interior dun tubo longo e pechado, o Hei II moverase continuamente no tubo realizando una corrente interna permanente, do mesmo xeito que as correntes eléctricas permanentes desprázanse en superconductores.

Comportamento fronte á calor

Cando a calor propágase facilmente polo interior dun corpo, dise que é un bo condutor de calor. Pola contra, é un mal condutor de calor cando é difícil de expandir. Por tanto, cando un corpo conduce facilmente a calor presenta una elevada conductividad térmica. A conductividad térmica é a propiedade que nos indica como un corpo leva a calor.

Nos fluídos, cada molécula pode desprazarse dun punto a outro, é dicir, móvese. Mediante este movemento propágase a calor a través do fluído.

Cando un líquido normal sométese a unha fonte de calor, canto máis preto estea calquera punto do líquido da fonte de calor, máis quente é, é dicir, o líquido quéntase localmente. Por tanto, dentro do líquido xéranse diferenzas. A calor esténdese desde os puntos quentes até os máis fríos, e canto maior sexa a diferenza entre os puntos, máis rápido e máis rápido.

O superfluido helio non se comporta como se dixo antes ante a calor. Por unha banda, o seu conductividad térmica é infinita, e esta é cada vez maior, canto menor sexa a diferenza entre puntos. Doutra banda, ao non producirse un punto quente no fondo do helio superfluido, este non ferve. Con todo, ao quentarse se aromatiza, pero a evaporación prodúcese na superficie, quedando o resto do fluído á mesma temperatura. Na práctica, por tanto, aparece como un superconductor de calor, é dicir, se se producen pequenas diferenzas, a calor propágase rapidamente a través do líquido. Por iso, o quecemento ou arrefriado local é practicamente imposible. Por tanto, dentro do líquido non se poden producir desigualdades.

Paira coñecer a propagación da calor a través do helio superfluido ideouse o seguinte experimento: si nun baño de helio superfluido introdúcese un recipiente con poros e pescozo apertado, o helio superfluido penetra polos poros, dando por finalizado o proceso de penetración cando se atopan á mesma altura exterior e interior. Se posteriormente quentásemos o interior do recipiente cunha resistencia eléctrica, o superfluido que o rodea entraría a través da parede paira arrefriar o interior e manter o equilibrio. Debido á cantidade de helio que entra no envase, a gran chorreada de helio salgue do pescozo do envase paira eliminar a diferenza de masa.

Os investigadores reconstruíron este experimento creando calores curtas a base dunha resistencia eléctrica. Estes quecementos provocan que a calor se expanda como ondas a través da masa líquida. Estas ondas denomínanse ecos secundarios. Esta forma de propagación da calor non se cumpre en ningunha outra condición.

Una vez que o helio superfluido entra no interior dun recipiente de barro, vese disperso pola mesa coma se o recipiente estivese fisurado. No caso de utilizar un recipiente de cristal ou metálico, o helio superfluido sobe pola superficie interior da parede e, una vez chegado ao bordo do envase, descende pola superficie exterior da parede, baleirando aos poucos o recipiente e dispersando o superfluido sobre a mesa.

Como conclusión

Entre outras cousas, todos os experimentos realizados con 4 Hei poderían realizarse con 3 Hei, pero habería que traballar a temperaturas máis frías, 0,001K ao redor da temperatura. 3 O Hei presenta propiedades moi sorprendentes: pode ser solidificado baixo determinadas presións, pero non arrefriándose, senón quentándose. Ademais, o superfluido 3 Hei é magnético, do mesmo xeito que o ferro ou o níquel, e os experimentos realizados demostran dous tipos: 3A e 3B. 3Á densidade do helio (con maior imantación) é moi difícil de calcular debido á súa variabilidade. A densidade varía en función do campo magnético que atravesa o superfluido.

Paira terminar, a situación superfluida interesa profundamente aos astrónomos, xa que explica o comportamento das estrelas de neutrón. Nelas hai una capa de neutróns que non é sólida, líquida nin gasosa, senón superfluo. Por tanto, os estudos que se están levando a cabo nos laboratorios crioscópicos lévannos a un ceo que non se ve afectado pola materia.