20. Процессы охлаждения, основанные на использовании свойств 4Не и 3Не.

Охлаждение растворением ³Не в ⁴Не. В 1951 г. Г. Лондон обосновал метод получения сверхнизких температур, основанный на использовании теплового эффекта при растворении жидкого ³Не в ⁴Не. Поглощение теплоты в процессе растворения возможно благодаря особым свойствам и характеру взаимодействия этих ожиженных изотопов. ⁴He имеет нулевой ядерный спин; его квантово-механическое описание подчиняется статистике Бозе–Эйнштейна. ³He имеет ядерный спин 1/2; поведение его следует статистике Ферми–Дирака. Этим объясняется различие свойств ³Не и ⁴Не.

В рассматриваемой области температур (<1 К) жидкий ⁴Не находится в сверхтекучем состоянии, имеет почти нулевую вязкость и энтропию, которая снижается пропорционально T³. Эта жидкость является инертной в гидродинамическом и тепловом отношении. Другому изотопу ³Не такое поведение несвойственно; он не переходит в сверхтекучее состояние вплоть до 3·10^-3 К, его энтропия существенно выше, чем у ⁴Не. Теплоемкость ³Не также значительно больше теплоемкости ⁴Не. При растворении ³Не в ⁴Не атомы этих жидкостей не взаимодействуют между собой из-за инертности ⁴Не, следовательно, переход ³Не в объем, заполненный ⁴Не, где концентрация атомов ³Не мала, аналогичен процессу его расширения в пустоту, сопровождающемуся поглощением энергии. При этом в слабом растворе возникает как бы газообразная фаза из атомов ³Не, для которых ⁴Не является лишь поддерживающей средой.

Таким образом, процесс растворения приводит к изменению (уменьшению) упорядоченности системы в результате перехода жидкость–газ; энтропия ³Не возрастает. Растворение сопровождается поглощением теплоты перехода из одной фазы (чистый ³Не) в другую (слабый раствор ³Не), как и при испарении обычной жидкости. Растворение в адиабатных условиях приводит к охлаждению.

Охлаждение адиабатной кристаллизацией (эффект Померанчука). В 1950 г. И.Я. Померанчук предложил метод охлаждения, основанный на особых свойствах изотопа ³Не. Кривая плавления p=f(T), отражающая равновесие жидкой и твердой фаз для ³Не, имеет совершенно особый характер по сравнению с остальными веществами. При температуре 0,32 К и равновесном давлении 2,93 МПа кривая плавления ³Не имеет минимум. В этой точке энтропии твердой и жидкой фаз одинаковы и равны s=Rln2. При дальнейшем снижении температуры ход изменения энтропии обеих фаз определяется особыми квантово-механическими свойствами ³Не. В обычных системах энтропия жидкости всегда больше энтропии кристалла, поскольку в кристалле упорядоченность выше. В ³Не при Т<0,32 К энтропия твердой фазы, наоборот, больше энтропии жидкости, которая имеет более высокую упорядоченность.

Вследствие этого переход жидкость–кристалл в результате сжатия при Т=const сопровождается скачком энтропии и поглощением теплоты Q. При адиабатных условиях (s=const) это приводит к снижению температуры.