L'hélium appartient au groupe des gaz nobles. L'hélium liquide est le liquide le plus froid au monde. Dans cet état agrégé, il possède un certain nombre de caractéristiques uniques, telles que la superfluidité et la supraconductivité. Nous en apprendrons plus sur ses propriétés plus tard.
Gaz hélium
L'hélium est une substance simple largement répandue dans l'Univers à l'état gazeux. Dans le tableau périodique de Mendeleev, il est le deuxième et se trouve immédiatement après l'hydrogène. Il fait référence aux gaz inertes ou nobles.
L'élément est désigné par "Il". Du grec ancien, son nom signifie "Soleil". Au début, on supposait qu'il s'agissait de métal. Cependant, il s'est avéré qu'il s'agit d'un gaz monoatomique. L'hélium est le deuxième produit chimique le plus léger et est insipide, incolore et inodore. A le point d'ébullition le plus bas.
Dans des conditions normales, c'est un gaz parfait. En plus d'être gazeux, il peut être à l'état solide et liquide. Son inertie se manifeste par une interaction inactive avec d'autres substances. Il est pratiquement insoluble dans l'eau. À des fins industrielles, il est extrait du gaz naturel, en le séparant des impuretés avecen utilisant un fort refroidissement.
Le gaz peut être dangereux pour les humains. Une augmentation de sa concentration dans l'air entraîne un manque d'oxygène dans le sang, ce que l'on appelle en médecine une privation d'oxygène. Lorsqu'il est ingéré en grande quantité, il provoque des vomissements, une perte de conscience et parfois la mort.
Liquéfaction de l'hélium
N'importe quel gaz peut passer à l'état liquide d'agrégation sous certaines conditions. La liquéfaction est couramment utilisée dans l'industrie ainsi que dans la recherche scientifique. Pour certaines substances, il suffit d'augmenter simplement la pression. D'autres, comme l'hélium, ne deviennent liquides qu'une fois refroidis.
Si la température du gaz est supérieure au point critique, il ne se condensera pas, quelle que soit la pression. Pour l'hélium, le point critique est de 5,19 Kelvin, pour son isotope 3He il est de 3,35 K.
L'hélium liquide est un liquide presque parfait. Il se caractérise par l'absence de tension superficielle, de viscosité. Après avoir changé de pression et de température, son volume reste le même. L'hélium liquide a une tension extrêmement faible. La substance est incolore et très fluide.
Propriétés de l'hélium liquide
À l'état liquide, l'hélium se distingue mal, car il réfracte faiblement les rayons lumineux. Sous certaines conditions, il a les propriétés d'un liquide quantique. De ce fait, à pression normale, il ne cristallise pas même à une température de -273,15 Celsius (zéro absolu). Toutes les autres substances connues se solidifient dans ces conditions.
La température à laquelle l'hélium liquide commence à bouillir est de -268,9 degrés Celsius. Les propriétés physiques de ses isotopes varient considérablement. Par exemple, l'hélium-4 bout à 4,215 K.
Il s'agit d'un liquide de Bose, caractérisé par des transitions de phase à des températures de 2 172 kelvins et moins. La phase He II est caractérisée par une superfluidité et une conductivité superthermique. À des températures inférieures à la phase, He I et He II se produisent simultanément, grâce à quoi deux vitesses de son apparaissent dans le liquide.
Helium-3 est un liquide de Fermi. Il bout à 3,19 Kelvin. Un isotope ne peut atteindre la superfluidité qu'à très basse température (quelques millikelvins) lorsqu'il existe une attraction suffisante entre ses particules.
Hélium superfluidité
La science doit l'étude du concept de superfluidité aux académiciens S. P. Kapitsa et L. D. Landau.
L'académicien a conclu qu'après que la température de l'hélium tombe en dessous de 2 172 K, la substance passe de la phase de l'état normal à une phase complètement nouvelle, appelée hélium-II. Dans cette phase, la substance passe à travers les capillaires et les trous étroits sans le moindre frottement. Cet état est appelé "superfluidité".
En 1941, Landau L. D. a continué à étudier les propriétés de l'hélium liquide et a développé la théorie de la superfluidité. Expliqueril l'a pris par des méthodes quantiques, en appliquant le concept du spectre d'énergie des excitations.
Applications à l'hélium
L'élément hélium a été découvert dans le spectre du Soleil en 1868. Sur Terre, il a été découvert par William Ramsay en 1895, après quoi il a été longtemps étudié et n'a pas été utilisé dans la sphère économique. Dans l'activité industrielle, il a commencé à être utilisé comme carburant pour les dirigeables pendant la Première Guerre mondiale.
Le gaz est activement utilisé pour l'emballage dans l'industrie alimentaire, dans la fusion des métaux. Les géologues l'utilisent pour détecter les failles de la croûte terrestre. L'hélium liquide est principalement utilisé comme réfrigérant capable de maintenir des températures ultra-basses. Cette propriété est nécessaire pour la recherche scientifique.
Le liquide de refroidissement est utilisé dans les machines électriques cryogéniques, dans les microscopes à effet tunnel, dans les appareils de tomographes RMN médicaux, dans les accélérateurs de particules chargées.
Conclusion
L'hélium est un gaz inerte ou rare qui présente une faible activité en interaction avec d'autres substances. Dans le tableau périodique des éléments chimiques, il occupe la deuxième place, derrière l'hydrogène. Dans la nature, la matière est à l'état gazeux. Sous certaines conditions, il peut passer à d'autres états d'agrégation.
La principale caractéristique de l'hélium liquide est sa superfluidité et son incapacité à cristalliser à pression normale, même si la température atteint le zéro absolu. Les propriétés des isotopes d'une substance ne sont pas les mêmes. Leur critiquetempératures, leurs conditions d'ébullition et les spins de leurs particules.
