سوپرفلوید، فواره های نامتناهی | هوافضای جوان

سوپرفلوید، فواره های نامتناهی

در دهه ی ۱۹۳۰ میلادی پدیده ی جدیدی در علم فیزیک به اسم سوپرفلوید کشف شد. این سیال ویژگی های عجیبی دارد که با تمامی سیالاتی که ما با آنها سر و کار داشته ایم متفاوت است. در ادامه به معرفی این پدیده می پردازیم.

سوپرفلوید سیالی است با لزجت صفر که ویژگی های منحصر بفرد و عجیبی دارد که با تمامی سیالات دیگر متفاوت است. نداشتن لزجت این سیال را قادر ساخته که بدون از دست دادن انرژی جنبشی حرکت کند! سوپرفلوید را می توان در آزمایشگاه با دو ایزوتروپ هلیوم ۳ و هلیوم ۴ ساخت. به طوری که با کاهش دمای آن تا نزدیک به صفر مطلق (دمایی ای که به آن Lambed Point می گویند) این ماده به سیال با خاصیت سوپرفلوید تبدیل می شود.

سوپرفلوید با خزش روی دیواره ی محفظه ی به دنبال یکسان کردن سطح خود است. بعد از مدتی سطح مایع در هر دو ظرف به صورت یکسان توزیع می شود. همچنین، یک لایه از این سیال سطح درونی محفظه ی در بسته را خیس می کند.

اگر سوپرفلوید در یک مخزن در باز قرار داشته باشد، سیال از دیواره ی مخزن بالا می رود و از آن عبور می کند. با گذر زمان این کار را ادامه می دهد تا وقتی که ظرف از سوپرفلوید خالی شود. ویدیوی زیر این فرایند را به خوبی نشان داده است.

سوپرفلوید ها همچنین در بعضی از تئوری های اخترشناسی مربوط به ماده ی تاریک اشاره شده است. ایده ی وجود سوپرفلوید در ستاره های نوترونی با فرض دمای بسیار پایین و غلظت بالای مواد در این ستاره ها مطرح شد، که این شرایط منجر به وجود سوپرفلوید می شود.

بر اساس نرخ سرد شدن ستاره، اخترشناسان بر این باورند که نوترون ها در هسته ی ستاره نوترونی در حالت سوپرفلوید می باشند

 

مشخصات

همانطور که مواد سوپرکانداکت هیچ مقاومت الکتریکی ندارند، لزجت سوپرفلوید ها نیز صفر است و می تواند آزادانه به هر سمتی حرکت کند. ویژگی های عجیب دیگر سوپرفلوید ها آنتروپی صفر (ساختار اتم های آن بسیار منظم چیده شده است و معمولا ماده در دمای صفر مطلق به آنتروپی صفر می رسد) و ضریب هدایت حرارتی آن بینهایت است. ضریب هدایت حرارتی نشان دهنده ی توانایی عبور حرارت از درون یک ماده می باشد. هرچه این ضریب بالا تر باشد، حرارت راحت تر می تواند از ماده عبور کند. بدین ترتیب، همانطور که وارد کردن اختلاف پتانسیل جریان در مواد سوپرکانداکت غیر ممکن است، ایجاد گرادیان دمایی در سوپرفلوید ها نیز امری غیر ممکن است.

به عنوان مثال ضریب انتقال حرارت مس ۴۰۱، الماس ۱۰۰، آب کمتر از ۱ و مواد فایبرگلس (الیاف شیشه) و چوب کمتر از ۰.۰۵ است. برای درک بهتر، تصویر زیر رفتار یک سوپرفلوید را با یک سیال عادی (مانند آب) به هنگام گرم کردن نشان می دهد.

سمت راست سوپرفلوید، سمت چپ سیال عادی. با حرارت دادن به سیال های معمولی، نقطه ی نزدیک به منبع حرارت معمولا زود تر از نقاط دیگر سیال گرم می شود. اما در سوپر فلوید ها درجه حرارت تمامی نقاط سیال همزمان افزایش می یابد. این یک ویژگی بسیار عجیب از سوپرفلوید ها می باشد.

 

در حالت عادی، اگر به سیال یک اختلاف فشار خاصی وارد شود، سرعت سیال در محیط متخلخل به نسبت محیط عادی مقدار کمتری است. اما برای سوپرفلوید ها این امر صدق نمی کند. با اختلاف فشار یکسان، سرعت سوپرفلوید در دو محیط عادی و محیط متخلخل یکسان است. این تفاوت را می توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

حرکت سوپرفلوید در محیط های مختلف بدون هیچ مقاومتی. سیال عادی با یک سرعت مشخصی در حال عبور است (سمت چپ) اما در عبور از محیط متخلخل دچار مقداری مقاومت از طرف محیط می شود و سرعت آن کاهش می یابد. اما سوپرفلو می تواند در هر محیطی بدون هیچ مقاومتی عبور کند.

 

یکی از رفتار های عجیب سوپرفلوید ها پدیده ای به اسم ترمومکانیک یا “اثر فواره” (Fountain Effect) می باشد. اگر یک لوله ی بسیار نازک درون یک ظرف پر از سوپرفلوید گذاشته شود و سپس مقداری به آن حرارت داده شود و یا فقط به آن کمی نور بتابد، سوپرفلوید از درون لوله بالا خواهد آمد و به صورت یک فواره در می آید. ویدیوی زیر تصویر آهسته ای از اثر فواره در سوپرفلوید هلیوم ۴ می باشد. این فواره به دلیل دو ویژگی خاص از سوپرفلویدها ایجاد شده است. توانایی عبور از لوله های بسیار نازک و توانایی جریان یافتن به دلیل وجود گرادیان حرارت (یا اثر ترمومکانیک).

این ویدیو در سال ۲۰۰۷ در آزمایشگاه Taborek در دانشگاه ایرواین کالیفرنیا گرفته شده است.

 

اثر ترمومکانیک در سوپرفلوید ها بدین صورت است که با ایجاد یک اختلاف حرارت در سوپرفلوید، سیال شروع به حرکت می کند. به عبارتی، اثر اختلاف حرارت بر روی سوپرفلوید ها مانند اثر اختلاف فشار بر سیالات عادی عمل می کند. در تصویر زیر، با تحریک کردن سوپرفلوید به کمک یک منبع گرمایی اثر ترمومکانیک را در این سیال ایجاد می کند.

 

ایجاد اثر ترمومکانیک با استفاده از منبع گرمایی در سوپرفلو فلز فنر مانندی که درون مخزن سوپرفلو است منبع گرمایی می باشد که برای تحریک سوپرفلو استفاده می شود.

 

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Superfluidity

http://abyss.uoregon.edu/~js/glossary/superfluid.html

https://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Thermomechanical+Effect

http://inspirehep.net/record/1342462/plots


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.