超流体简介

超流体 1 超流体的简介2 超流体的起源3 超流体的原理4 超流体的运用5 超流体的最新理论6 超临界流体CO2萃取技术的发展 1 超流体的简介 超流体是一种物质状态 特点是完全缺乏黏性 如果将超流体放置于环状的容器中 由于没有摩擦力 它可以永无止尽地流动 它能以零阻力通过微管 甚至能从碗中向上 滴 出而逃逸 液态氦在 271 以下时 它的内摩擦系数变为零 这时液态氦可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管 这种现象叫做超流现象 Superfluidity 这种液体叫做超流体 Superfluid 2 超流体的起源 液态氦 4在冷却到2K以下时 开始出现超流体特征 20世纪30年代末 苏联科学家彼得 卡皮察首先观测到液态氦4的超流体特性 他因此获得1978年诺贝尔物理学奖 这一现象很快被苏联科学家列夫 郎道用凝聚态理论成功解释 不过 科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流体现象 因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一 3 超流体的原理 实验发现 液氦能沿极细的毛细管流动而几乎不呈现任何粘滞性 这一现象首先由卡皮查于1937年观察到的 称之为超流性 实验还发现 存在一个临界速度v 在v以上 超流流动被破坏 氦由正常流体和超流体两部分组成 其中超流部分没有粘滞性 熵也为零 而正常流体部分的性质与普通的经典流体一样 具有粘滞性和熵 朗道认为超流成分则是在理想背景流体上的一些元激发 于量子液体低于某临界转变温度会形成超流态 比如氦最丰富的同位素 氦 4 在低于2 17K 270 98 C 时便会变成超流体 氦 4形成超流态的相变称为 Lambda 相变 Lambdatransition 因它的比热容对温度曲线形状如同希腊字母 一样 凝聚态物理学中一些相近的相变亦因而叫作Lambda相变 氦较贫乏的另一种同位素 氦 3 在更低的2 6mK成为超流体 这个温度只是比绝对零度高几个毫开尔文 虽然这两个系统的超流体表征很相似 但其本质却是南辕北辙 氦 4是玻色子 其超流性质可以用玻色 爱因斯坦统计解释 可是 氦 3是费米子 其超流性必须用到描述超导体的BCS理论之推广才可了解 其中 原子代替了电子形成库柏对 Cooperpair 而它们的吸引作用力调控机制由自旋波动 Spinfluctuation 代替了声子 详情请参看费米子凝聚态 超流体和超导体的统一理论可以以规范对称破缺 Gaugesymmetrybreaking 表达 超流体 如超冷冻的氦 4 有很多稀奇的性质 它就像一般液体加上超流体的特有的性质 如全无粘性 零熵度 和无限大的热传导率 故此在超流体中出现温差是不可能的 就如超导体内没有电势差一样 其中最令人叹为观止的是 热机效应 Thermomechanicaleffect 或称 喷泉效应 Fountaineffect 如一纤细管放在一池超流氦之中 而纤细管被加热 如对它照光 氦便会爬上管顶 这是克劳修斯 克拉佩龙方程的结果 另一样奇特现象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一层单原子厚度的液体薄膜 2020 2 5 1 P V T性质稍高于临界点温度的区域 压力稍有变化 即引起密度的很大变化 这时 超临界流体密度已接近于该物质的液体密度 而此时的状态仍为气态 因此 超临界流体具有高的扩散性 与液体溶剂萃取相比 其过程阻力大大降低 以常用的CO2为例 其P T图如下 2020 2 5 2 传质性质由于超临界流体的自扩散系数大 粘度小 渗透性好 与液体萃取相比 可以很快地完成传质 达到平衡 促进高效分离过程的实现 3 溶解能力超临界流体的溶解能力 与密度有很大关系 在临界区附近 操作压力和温度的微小变化 会引起流体密度的大幅度变化 因而也将影响其溶解能力 2020 2 5 4 萃取选择性 1 按相似相溶原则 选用的超临界流体与被萃取物质的化学性质越相似 溶解能力就越大 2 从操作角度看 使用超临界流体为萃取剂时的操作温度越接近临界温度 溶解能力也越大 4 超流体的运用 超流体其中一个重要的应用是稀释制冷机 Dilutionrefrigerator 超流氦 4已成功用作化学领域光谱分析技术的量子溶剂 在超流氦滴光谱分析 SHeDS 中 单个分子溶于超流介质之中 使之有有效的旋转自由度 如同在气态之中 这引起了对气体分子研究的极大兴趣 超流体亦用于高精度仪器 如陀螺仪 它可以量度一些理论预测的引力效应 5 超流体的最新理论 时空或许是某种形式的超流体 超流体是一种物质状态 完全缺乏黏性 正由于没有摩擦力 它可以永无止境地流动而不会失去能量 按照里贝拉蒂和马切诺尼的理论 时空作为这种特殊的物质形式 也具有非同寻常的特性 就像声音在空气中传播一样 它提供了一种介质 能让波和光子得以传播 研究人员通过建立模型 试图将重力和量子力学融合为 量子引力 这种新理论 并表示这将是一个解释宇宙的超流动性的合理模型 宇宙的四种基本力 电磁 弱相互作用 强相互作用和引力 量子力学可以解释其他所有 只除了引力 而现在 量子引力 的建模需要去了解这种流体的黏度 结论是其黏度值极低 接近于零 而这在以前从未被加入到详细考虑范围内 3 研究人员表示 随着现代天体物理学技术时代的到来 科学家们将拥有更强有力的线索来支持新兴的时空模型 2020 2 5 6 超临界流体CO2萃取技术的发展 在1879年 有过报道关于超临界流体对液体和固体物质具有显著溶解能力这种物理现象 20世纪50年代 美国从理论上提出SCFE用于萃取分离的可能性60年代以后 原西德对这一领域首次做了许多基础和应用性的研究 1978年1月在西德Essen举行了首次SCFE技术研讨会 可称为现代SCFE技术开发的里程碑 2020 2 5 主要包括 分离过程基本原理及相平衡理论 测试手段 基础数据及其应用