Второй звук - Second sound

Второй звук это квантово-механический явление, в котором теплопередача происходит волна -подобное движение, а не с помощью более обычного механизма распространение. Это приводит к очень высокому теплопроводность. Он известен как «второй звук», потому что волновое движение тепла похоже на распространение волн давления в воздухе (звук ).

Нормальные звуковые волны - это колебания плотности молекулы в веществе; волны второго звука - это флуктуации плотности частицоподобных тепловых возбуждений (ротоны и фононы[1]Второй звук можно наблюдать в любой системе, в которой большинство фонон-фононных столкновений сохраняют импульс. сверхтекучие жидкости,[2] а также в некоторых диэлектрических кристаллах[3][4][5] когда Умклаппское рассеяние мала (перебросное фонон-фононное рассеяние обменивается импульсом с кристаллической решеткой, поэтому импульс фонона не сохраняется).

Второй звук в гелии II

Второй звук наблюдается в жидкий гелий при температурах ниже лямбда-точка, 2.1768 K, куда 4Он становится сверхтекучим, известным как гелий II Гелий II имеет самую высокую теплопроводность из всех известных материалов (в несколько сотен раз выше, чем у медь ).[6] Второй звук можно наблюдать либо в виде импульсов, либо в резонаторе.[7]

Скорость второго звука близка к нулю около лямбда-точки, увеличиваясь примерно до 20 м / с около 1,8 K,[8] примерно в десять раз медленнее обычных звуковых волн.[9]При температурах ниже 1 К скорость второго звука в гелии II увеличивается с понижением температуры.[10]

Второй звук также наблюдается в сверхтекучем гелии-3 ниже его лямбда-точки 2,5 мК.[11]

Второй звук в других медиа

Второй звук наблюдается в твердых 4Он и 3Он,[12][13]и в некоторых диэлектрических твердых телах, таких как Bi, в диапазоне температур от 1,2 до 4,0 К со скоростью 780 ± 50 м / с,[14]или NaF от 10 до 20 К.[15]

В 2019 году сообщалось, что обычные графит показывает «второй звук» при 120 Кельвинах. Это было предсказано теоретически и наблюдалось экспериментально, и это была самая высокая температура, при которой наблюдался второй звук.[16] Однако этот второй звук наблюдается только на микромасштабе, потому что волна затухает экспоненциально с характерной длиной 1-10 мкм. Следовательно, предположительно графит в правильном температурном режиме имеет чрезвычайно высокую теплопроводность. но только для целей передачи тепловых импульсов на расстояние порядка 10 микрон и для импульсов длительностью порядка 10 наносекунд. Для более "нормального" теплообмена наблюдаемая теплопроводность графита меньше, чем, например, меди. Теоретически модели, однако, предсказывают, что более длинные длины поглощения будут наблюдаться в изотопно-чистом графите и, возможно, в более широком диапазоне температур, например даже при комнатной температуре. (По состоянию на март 2019 года этот эксперимент еще не проводился.)

Приложения

Измерение скорости второго звука в 3Он-4Его смеси можно использовать как термометр в диапазоне 0,01-0,7 К.[17]

Осциллирующие преобразователи сверхтекучей среды (ОСТ)[18] используйте второй звук, чтобы найти дефекты в сверхпроводящие полости ускорителя.[19][20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Смит, Хенрик; Дженсен, Х. Хойгаард (1989). «Раздел 4.3: Второй звук». Транспортные явления. Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-851985-0.
  2. ^ Шринивасан, Р. (март 1999 г.). «Второй звук: волны энтропии и температуры» (PDF). Резонанс. 3: 16–24.
  3. ^ Сринивасан, Р. (июнь 1999 г.). «Второй звук: роль упругих волн» (PDF). Резонанс. 4: 15–19. Дои:10.1007 / bf02834631.
  4. ^ Прохофский, Э .; Крумхансл, Дж. (1964). "Распространение второго звука в твердых диэлектрических телах". Физический обзор. 133 (5A): A1403. Bibcode:1964ПхРв..133.1403П. Дои:10.1103 / PhysRev.133.A1403.
  5. ^ Честер, М. (1963). «Второй звук в твердых телах». Физический обзор. 131 (5): 2013–2015. Bibcode:1963ПхРв..131.2013С. Дои:10.1103 / PhysRev.131.2013.
  6. ^ Лебрен, Филипп (17 июля 1997 г.). Сверхтекучий гелий как технический теплоноситель (PDF) (LHC-Project-Report-125). ЦЕРН. п. 4.
  7. ^ Ван дер Буг, А. Г. М .; Husson, L.P.J .; Дисатник Ю.А. Крамерс, Х.С. (1981). «Экспериментальные результаты по скорости второго звука и вязкости в разбавленных смесях 3He-4He». Физика B + C. 104 (3): 303–315. Bibcode:1981PhyBC.104..303V. Дои:10.1016/0378-4363(81)90176-5.
  8. ^ Wang, R.T .; Wagner, W. T .; Доннелли, Р. Дж. (1987). «Прецизионные измерения скорости второго звука в гелии II». Журнал физики низких температур. 68 (5–6): 409–417. Bibcode:1987JLTP ... 68..409Вт. Дои:10.1007 / BF00682305.
  9. ^ Lane, C .; Fairbank, H .; Фэрбэнк, В. (1947). «Второй звук в жидком гелии-2». Физический обзор. 71 (9): 600–605. Bibcode:1947ПхРв ... 71..600Л. Дои:10.1103 / PhysRev.71.600.
  10. ^ Де Клерк, Д .; Hudson, R .; Пеллэм, Дж. (1954). «Распространение второго звука ниже 1 ° K». Физический обзор. 93: 28–37. Bibcode:1954ПхРв ... 93 ... 28Д. Дои:10.1103 / PhysRev.93.28.
  11. ^ Lu, S .; Кодзима, Х. (1985). "Наблюдение второго звука в сверхтекучем ^ {3} He-B". Письма с физическими проверками. 55 (16): 1677–1680. Bibcode:1985ПхРвЛ..55.1677Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.1677. PMID  10031890.
  12. ^ Ackerman, C .; Бертман, Б .; Fairbank, H .; Гайер, Р. (1966). «Второй звук в твердом гелии». Письма с физическими проверками. 16 (18): 789–791. Bibcode:1966ПхРвЛ..16..789А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.16.789.
  13. ^ Ackerman, C .; Овертон, В. (1969). «Второй звук в твердом гелии-3». Письма с физическими проверками. 22 (15): 764–766. Bibcode:1969ПхРвЛ..22..764А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.22.764.
  14. ^ Narayanamurti, V .; Дайнс, Р. (1972). «Наблюдение второго звука в висмуте». Письма с физическими проверками. 28 (22): 1461–1465. Bibcode:1972ПхРвЛ..28.1461Н. Дои:10.1103 / PhysRevLett.28.1461.
  15. ^ Джексон, H .; Уокер, С .; МакНелли, Т. (1970). «Второй звук в NaF». Письма с физическими проверками. 25: 26–28. Bibcode:1970PhRvL..25 ... 26J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.25.26.
  16. ^ Huberman, S .; Дункан, Р.А. (2019). «Наблюдение второго звука в графите при температуре выше 100 К». Наука. arXiv:1901.09160. Дои:10.1126 / science.aav3548.
  17. ^ Питре, Л. (2003). «Сравнение термометра второго звука и термометра кривой плавления от 0,8 К до 20 мК». Материалы конференции AIP. 684. С. 101–101. Дои:10.1063/1.1627108.
  18. ^ Шерлок Р. А. (1970). "Колеблющиеся сверхтоковые преобразователи второго звука". Обзор научных инструментов. 41 (11): 1603–1609. Bibcode:1970RScI ... 41.1603S. Дои:10.1063/1.1684354.
  19. ^ Хесла, Лия (21 апреля 2011 г.). «Звук ускорительных резонаторов». Лента новостей ILC. Получено 26 октября 2012.
  20. ^ Quadt, A .; Schröder, B .; Uhrmacher, M .; Weingarten, J .; Willenberg, B .; Веннекате, Х. (2012). «Реакция колеблющегося преобразователя сверхтока на точечный источник тепла». Специальные темы Physical Review: ускорители и пучки. 15 (3). arXiv:1111.5520. Bibcode:2012PhRvS..15c1001Q. Дои:10.1103 / PhysRevSTAB.15.031001.

Библиография