капицы скачок температуры

КАПИЦЫ СКАЧОК ТЕМПЕРАТУРЫ - явление в жидком гелии, состоящее в том, что при передаче теплоты от твёрдого тела к жидкому гелию (или обратно) на границе раздела возникает разность темп-р DT [1]. Открыто П. Л. Капицей в 1941. В дальнейшем было установлено, что К. с. т.- общее физ. явление при низких темп-pax: он возникает на границе раздела любых разнородных сред (из к-рых, по крайней мере, одна - диэлектрик) при наличии теплового потока через границу (из одной среды в другую). Скачок темп-ры DT прямо пропорционален плотности теплового потока Q и обратно пропорционален Т³:

где коэф. А зависит от упругости находящихся в контакте веществ, а также от характера обработки поверхности твёрдого тела. Величина R_К=А/T³ наз. сопротивлением Капицы или граничным тепловым сопротивлением. На границе отожжённая медь - жидкий ⁴Не при Т=0,1 К и Q=10^-4 Вт/м² DT=2,4.10^-3 К. Т. о., R_K=2,4.10^-2/Т³ (м²К/Вт). Для др. металлов (при тех же условиях) R_K имеет близкие значения. Теоретически показано (И. М. Халатников, 1952), что при низких темп-pax теплообмен между жидкостью и твёрдым телом осуществляется посредством тепловых фононов ,а К. с. т. на границе возникает из-за сильного рассогласования импедансов акустических двух сред и малости критич. угла, в пределах к-рого фононы проходят из гелия в твёрдое тело [2]. Из законов отражения и преломления звука и граничных условий И. М. Халатниковым получено след. выражение для сопротивления Капицы на границе ⁴Не - твёрдое тело:

Здесь r и D - плотности жидкого гелия и твёрдого тела, с и c_t- скорость звука в гелии и скорость поперечного звука в твёрдом теле, F - ф-ция упругих констант сред (порядка единицы). Экспериментально было установлено, что реальный теплообмен, особенно при T@1-2 К, происходит значительно лучше, чем это следует из акустич. теории. Так, напр., для границы медь - ⁴Не при T>1 К теоретич. значение А =R_КT^З=5.10^-2 м²К⁴/Вт, в то время как эксперим. значения A@(0,5-5).10^-3 м²К⁴/Вт. Значит, разброс эксперим. данных для одного и того же материала обусловлен сильной зависимостью сопротивления Капицы от состояния поверхности твёрдого тела: поверхностных шероховатостей и дефектов поверхностного слоя, окислов и слоев адсорбированного газа, механич., хим. и термич. обработки поверхности. Тепловое сопротивление меньше для грязных, деформированных образцов с травленой и механически полированной поверхностью, оно существенно возрастает при отжиге, а также при очистке поверхности электрополировкой и ионной бомбардировкой (при условии хранения образца до измерений в сверхвысоком вакууме). К. с. т. резко увеличивается на свежесколотых в жидком гелии поверхностях. От контактирующей жидкости (⁴Не, ³Не или их растворов) К. с. т. зависит слабо. Температурная зависимость сопротивления Капицы вида R_K~AT^-3 со значением коэф. А, близким к теоретическому для чистых металлов, хорошо выполняется при очень низких темп-pax (от 20 мК до 0,1-0,2 К) [3]. В этой области темп-р роль поверхностных дефектов ослабевает в связи с ростом длины волны тепловых фононов. Для технически чистых металлов и сплавов кубическая зависимость проводимости Капицы от Т наблюдается в более широком температурном интервале от 20 мК до 0,8-0,9 К с меньшими А. При T>1 К как для чистых, так и для грязных образцов в основном также выполняется зависимость , однако коэф. А, как правило, становятся ещё меньше. Отклонения от закона T³ обусловлены зависимостью коэф. прохождения фононов через границу твёрдое тело - жидкость от частоты со. Так, для границы жидкий гелий - твёрдый гелий (⁴Не) при Т<1 К коэф. прохождения тепловых фононов w~w²~Т², откуда [4]. К. с. т. препятствует охлаждению тел до сверхнизких темп-р, что обычно сказывается в рефрижераторах растворения ³Не в ⁴Не и ступенях ядерного размагничивания (см. Kpuocmam, Магнитное охлаждение). Для уменьшения К. с. т. площадь теплообменников увеличивают до сотен м², изготавливая их из блоков спечённого субмикронного металлич. порошка. Лит.: 1) Капица П. Л., Исследование механизма теплопередачи в гелии II, "ЖЭТФ", 1941, т. 11, в. 1, с. 1; 2) Xалатников И. М., Теплообмен между твердым телом и гелием II, там же, 1952, т. 22, в. 6, с. 687; 3) Наrrisоn J. Р., Review paper. Heat transfer between liquid helium and solids below 100 mk, "J. Low. Temp. Phys.", 1979,v. 37, №5/6, p. 467; 4) Марченко В. И., Паршин А. Я., Капиллярное прохождение звука и аномальный скачок Капицы на границе твердый - жидкий гелий, "Письма в ЖЭТФ", 1980, т. 31, в. 12, с. 767. К. Н. Зиновьева.

   <<      Предметный указатель      >>