A superfluidez é uma propriedade característica dos fluidos com viscosidade igual a zero . Pode ser entendido como uma forma de estado fluido em que a matéria pode fluir sem perda de energia cinética , o que gera fenômenos muito interessantes e possíveis aplicações.

A superfluidez foi observada em dois isótopos de hélio (hélio-3 e hélio-4) quando resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto, e também é um estado da matéria teorizado ou observado na astrofísica, gravidade quântica e outras áreas da física de partículas .

Descoberta em hélio-4

A superfluidez foi descoberta no hélio líquido em 1937 por Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen e Don Misener. É considerado um fenômeno macroscópico da mecânica quântica e, como tal, também é considerado um dos primeiros marcos históricos no estudo da hidrodinâmica quântica.

Hélio-4 ( 4 He) é o isótopo de hélio mais abundante, constituindo quase todo o hélio na Terra, aproximadamente 99,99986%. Seu núcleo é uma partícula alfa composta por 2 prótons e 2 nêutrons desprovidos de um envelope eletrônico, e é considerada um bóson . Não é radioativo, embora seja freqüentemente formado em reações nucleares.

Abaixo do seu ponto de ebulição (4,21 K, -268,94 ° C) mas superior ao chamado ponto de lambda (2,1768 k, -270,9732 ° C), hélio-4 se comporta como qualquer outro fluido e é chamado o hélio eu estado . Quando esfria abaixo do ponto lambda, parte do hélio entra no estado denominado hélio II, que se comporta como um superfluido. O componente superfluido aumenta à medida que o hélio continua a esfriar.

O isótopo hélio-3 ( 3 He) também tem uma fase superfluida, mas aparece em temperaturas abaixo das necessárias para que apareça no hélio-4. Os fenômenos nos níveis atômico e subatômico em cada um também parecem ser diferentes. Os átomos de hélio-4 são considerados bósons e sua superfluidez pode ser explicada por um condensado de Bose-Einstien . O hélio-3, entretanto, é um férmion e sua superfluidez é explicada por meio da teoria de supercondutividade BCS .

Propriedades mais destacadas

O comportamento do hélio abaixo do ponto lambda é, portanto, uma mistura de um componente com as características de um fluido normal e de um componente superfluido. O hélio superfluido pode fluir sem atrito, sem perder energia cinética, possui viscosidade zero, entropia zero e condutividade térmica muito alta , superior a qualquer outra substância conhecida.

Condutividade térmica

A transferência de calor no fluido ocorre principalmente por convecção , não por condução, e o fluxo convectivo de He-II sem resistência, portanto a condutividade térmica é extremamente alta. É praticamente impossível estabelecer um gradiente térmico em um superfluido , assim como você não pode estabelecer um gradiente de voltagem em um supercondutor.

Efeito deslizante

Uma das características mais marcantes do superfluido He-II é o fluxo da camada e o efeito de arrastamento. Quando um fluido é colocado em um recipiente, o fluido sobe pelas paredes contra a gravidade e forma uma pequena camada ( filme ou filme de Rollin ) cuja altura e espessura dependem da tensão superficial do fluido e, portanto, da viscosidade.

No He-II, cuja viscosidade é zero, o fluxo na camada de Rollin não é restringido pela tensão superficial , apenas por uma velocidade crítica que no caso do He-II é igual a 20 cm / s. Isso significa que o He-II forma uma camada de Rollin que não para de fluir: em um recipiente aberto, o He-II continuamente “derrama” até que o recipiente esteja vazio. Além disso, se houver dois compartimentos conectados, o He-II flui através das paredes na camada de Rollin até que o nível nos dois compartimentos seja equalizado, criando um efeito de sifão.

Galeria

Deslizando no superfluido hélio II O hélio flui de dentro até o recipiente estar vazio

Alguns aplicativos

  1. O superfluido de hélio-4 (o estado de hélio-II) é usado como solvente quântico em espectroscopia . A chamada Espectroscopia de Gotículas de Hélio Superfluido ( SHeDS ) é de grande interesse no estudo de moléculas gasosas, uma vez que uma molécula dissolvida neste tipo de solvente se comporta da mesma forma como se estivesse na fase gasosa.
  2. Os superfluidos são úteis em giroscópios de alta precisão e permitem a observação e medição de alguns efeitos teóricos da gravidade.
  3. La superconductividad térmica del He-II es utilizada en la estabilización de imanes superconductores , por ejemplo en el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), el mayor laboratorio de física de partículas do mundo.
  4. Acredita-se que superfluidos podem aparecer no interior de estrelas nuetron e foram demonstrados experimentalmente em vários gases atômicos ultracold , por exemplo, em gases de lítio e rubídio.
  5. A Teoria do vácuo do superfluido (Theory Vacuum superfluid ou SVT) é descrita como um vácuo do superfluido e é uma das teorias que tentam criar modelos para unificar a mecânica quântica e a gravidade.