El Rincón de la Ciencia, Tecnología y el Conocimiento

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Publicado por El Rincón de la Ciencia, Tecnología y el Conocimiento en Jueves, 21 de julio de 2016

FRASES DE CIENCIA

domingo, 2 de octubre de 2011

Ciencia Divertida: Helio Superfluido



La conservación del refrigerante para satélites infrarrojos en el espacio es posible gracias a la invención de Sir James Dewar, que construyó el termo en 1892. El termo, como sabemos de nuestra experiencia en la vida diaria,  es un recipiente para evitar la transferencia de calor y mantiene un elemento a temperaturas  frías.
  
Mientras que un sistema mecánico para refrigeración es muy ineficiente, puesto que utiliza energía de la red eléctrica para extraer calor de la nevera, un sistema pasivo tiene la ventaja que regula el calentamiento inexorable del sistema  de una forma controlado y lenta. Ese sistema es el termo. Este elimina la posibilidad de transferencia de calor por conducción, creando un recipiente enquistado en otro, donde las paredes que los separan contienen un vació. Por supuesto, existe una transferencia de calor, pero esta es muy lenta.
  

Ya hemos indicado la utilidad del helio como refrigerante en el espacio. Este elemento es el segundo en orden en la tabla periódica (tiene dos protones y dos electrones) y también es el segundo elemento mas abundante del universo, después del hidrógeno. Se encontró indicios de su existencia en el espectro de la corona solar en 1868 por Pierre Jannsen, y se lo llamo helio pensando que era un elemento no existente en la Tierra. En 1895 pudo ser aislado en la Tierra. 

Con la llegada de la teoría  cuántica se puedo explicar el origen de las líneas espectrales, y las misteriosas líneas desconocidas resultaron ser las de un elemento con otro protón mas. 


El helio es inerte, es decir que es un gas noble, inerte, que no se combina en general con otros elementos o compuestos, y tiene una ilustre historia en la exploración del Universo por la astronomía. El helio es ubicuo en el espacio, adoptando diferentes formas según el lugar del universo en que se encuentre. Era demasiado liviano para retenerlo la atmósfera terrestre, escapándose al espacio en las primeras épocas de la formación de la Tierra, de manera similar a como la Luna perdió su atmósfera inicial. Los planetas mas masivos como Júpiter pudieron retenerlo, y la tremenda fuerza de gravedad en el centro de Júpiter lo mantiene como helio liquido, a presiones de millones de atmósferas. En las galaxias mas lejanas, los astrónomos lo utilizan como uno de los indicadores de las abundancias de los diferentes elementos, y como trazador de las condiciones del universo primordial.


 En el estado gaseoso es mas liviano que el aire. Eso lo hace extremadamente útil para el llenado de globos. Pero tiene un defecto que puede ser fatal, al ser altamente inflamable. La demostración mas palpable de su peligrosidad fue cuando el dirigible Heidenburg se consumió en llamas en un atracadero de Nueva Jersey en 1919, de alguna manera señalando el final de la era de los dirigibles.


Ajustando las condiciones de presión es posible transformarlo en un líquido a menos de  -200 C, superando en temperatura a otros refrigerantes tradicionales en los laboratorios, como el nitrógeno líquido. 


El helio puede alcanzar temperaturas de unos pocos Kelvin. Cambiando las condiciones de presión se pueden alcanzar temperaturas menores. Cuando la presión alcanza a altas atmósferas, los efectos cuánticos empiezan a jugar.  Por procesos de magnetización y desmagnetización se pueden llegar a temperaturas del orden de cien milésimas de Kelvin. 


Si se baja la temperatura del gas hasta 5.2 K, se transforma en helio líquido (HeI), un liquido como otro cualquiera. Pero si continuamos disminuyendo la temperatura manteniendo una presión moderada llegamos a un punto donde se produce una transición a otro tipo de líquido, alrededor de 2.17 K a bajas presiones. Este es el HeII, el llamado "helio superfluido". 


En la transición al estado superfluido ocurren hechos peculiares: la constante dieléctrica experimenta un cambio abrupto, ocurre una discontinuidad en el coeficiente de expansión  térmica, y el calor especifico a volumen constante del helio tiene una singularidad a 2.19 K. Este es el punto conocido como "lambda". 


 El HeII tiene propiedades extrañas. Una de ellas es la capacidad que tiene de fluir a través de pasajes microscópicos sin fricción aparente. El efecto conocido como "efecto fuente" (fountain effect) es el producido cuando existe un flujo de HeI entre dos zonas de diferente presión,  desde alta a baja presión. 


Lo que es sorprendente es que la región con baja presión se enfría. Esto se explica por el modelo de "dos-fluidos" por el cual el HeII se describe como un superfluido de viscosidad cero junto con un fluido normal. La relación entre el superfluido a el total se aproxima a uno cuando la temperatura se acerca el cero absoluto. 


 En el estado de superfluidez presenta resistencia cero al flujo. Ese fenomeno fue descubierto en 1937 por Peter Kapitza. En ese estado, el HeII puede formar películas delgadas de un espesor de no mas de 100 átomos. Su conductividad llega a 3.000.000 de veces la del HeI, y fluye de las regiones frías a calientes. Estas propiedades del HeII fueron observadas en los años treinta. Se descubrió entonces que el helio podía pasar por lugares que no podían ser atravesados por el helio liquido o gaseoso, comportándose como si no tuviera viscosidad.


 El modelo para explicar las propiedades el HeII es el modelo de Landau hidrodinamica mientras que la segunda en una componente superfluida, libre de entropia y sin fricción.


Aunque se supieran las propiedades del helio superfluido, existen problemas que debieron solucionarse antes de poder usarse como refrigerante en un recipiente térmico en el espacio. Por ejemplo, se debió solucionar la cuestión tecnológica de como contener el helio de manera tal que se escapara el vapor a medida que se evaporara mientras que el liquido estuviera contenido dentro del recipiente. O bien donde se encontraría el liquido una vez que estuviera en una situación  de microgravedad.  


Dado que el helio superfluido se encuentra frió sirve como excelente refrigerante para enfriar instrumentos. En los años setenta la NASA realizo experimentos para utilizar el helio en el espacio como refrigerante.


El problema de contener el helio no es trivial. El helio esta manteniendo fríos que están disipando calor. Por lo tanto, debe evaporarse para llevarse el calor generado por esos elementos. Por lo tanto, uno tiene el helio en un recipiente como un termo, pero debe permitir el vapor que se escape a fin de continuar el enfriamiento de los instrumentos. En el espacio la mayor preocupación es evitar que el helio se filtre hacia el espacio exterior, teniendo en cuenta que por su condicion de superfluido puede atravesar la menor filtración en el sistema.


El Dr. William Fairbank y colegas de la Universidad de Stanford propuso una idea ingeniosa. Primero, el hecho de el helio es superfluido, y pasa por zonas donde no pasaría un liquido normal o un gas. La idea era poner un tapón poroso en la tubería de ventilación del termo, que permite al helio a fluir fuera del contenedor puesto que la presión en el dewar aumenta cuando el liquido comienza a evaporarse. 


Cuando el helio alcanza la parte exterior del tapón se evapora en el espacio y enfría la parte exterior del tapón que pasa a ponerse mas fría que el interior del dewar. Ahora viene una de las cosas extrañas del helio superfluido. Resulta ser que le gusta moverse hacia temperaturas mas altas. 


Por lo tanto, mientras que la evaporación enfría  el exterior del tapón, el superfluido fluye hacia el interior del dewar, que esta mas tibio, formando una "back pressure", que actúa como una pared que mantiene el resto del helio superfluido en el dewar enfriando los instrumentos. 


Pruebas del Jet Propulsion Laboratory de la NASA también sirvieron para aclarar otro problema: donde se encuentra el helio dentro del dewar de un satélite. Para ello, se debe recordar que el helio superfluido tiene unas fuerzas cohesivas que son las mas débiles de la naturaleza. Un investigador lo pone en estas palabras: "un átomo de helio superfluido  estaría al lado de cualquier cosa antes que estar al lado de otro átomo de helio superfluido". Por lo tanto, en el ambiente de microgravedad en que se mueve el satélite el helio forma una película (film) sobre la superficie del termo manteniendo el vapor de helio en el medio. De esta manera el helio siempre se encuentra en contacto con las paredes, absorbiendo el calor que se genera. Además, el helio fluye hacia la parte del contener que esta mas caliente y por lo tanto funciona mejor como mejor refrigerante para el sistema.

Helio Superfluido


El Helio superfluido es básicamente Helio 3 a una temperatura muy baja, unos 3 Kelvin (-270 grados Celsius) y debido a que tiene viscosidad prácticamente nula, es capaz de hacer fenómenos increíbles como “trepar” por las paredes de un recipiente hasta vaciarse o hacer una fuente infinita:


La superfluidez es un estado de la materia caracterizado por la ausencia total de viscosidad, de manera que, en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción. Es un fenómeno físico que tiene lugar a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad. Un inconveniente es que casi todos los elementos se congelan a esas temperaturas. 


Pero hay una excepción: el helio, concretamente dos isótopos estables del helio, el Helio-4, que es el común, y el Helio-3. Y es a partir de este elemento con el que se ha realizado el sorprendente experimento que podéis ver en el vídeo, donde este “líquido” es capaz de atravesar la base de un sólido vaso somo si de un colador se tratase: realmente sorprendente
.

El líquido, que se torna superfluido en lo que los científicos llaman una transición de fase desde el llamado helio I (viscoso) hasta el llamado helio II (superfluido), puede atravesar sin problemas los pequeños poros presentes el el vidrio. Normalmente esto no ocurre porque la viscosidad del líquido lo impide



Superfluido - explicación física


Superfluido 4

1 comentarios:

El Helio no es inflamable. Es el Hidrógeno molecular H2 lo que es inflamable, y de lo que estaba lleno el Heidenburg era de Hidrógeno y por eso se incendió en un par de minutos. El Helio no reacciona químicamente, al ser un gas noble, y no puede arder de ninguna de las maneras. Por cierto, también es extraordinariamente caro y difícil de obtener (ya que es muy volátil), por lo que llenar el Heiderburg de He hubiera costado una auténtica fortuna. Salu2

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