Helium lỏng là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan
Helium lỏng là trạng thái lỏng của nguyên tố helium khi được làm lạnh dưới 4.22 K với đặc tính độc đáo do tương tác nguyên tử yếu giúp nó tồn tại ở nhiệt độ cực thấp. Khái niệm này mô tả một chất lỏng kriogenic đặc biệt gồm hai pha helium I và helium II trong đó helium II thể hiện siêu chảy và nhiều hiện tượng lượng tử vĩ mô.
Khái niệm helium lỏng
Helium lỏng là trạng thái lỏng của nguyên tố helium khi được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ hóa lỏng, thường thấp hơn điểm sôi 4.22 K ở áp suất khí quyển. Đây là một trong những chất lỏng lạnh nhất trong tự nhiên và có tầm quan trọng đặc biệt trong vật lý nhiệt độ thấp, siêu dẫn và kỹ thuật cryogenic. Helium lỏng mang những thuộc tính mà hầu như không chất lỏng nào khác có được, đặc biệt liên quan đến cấu trúc nguyên tử đơn giản và tương tác cực yếu giữa các nguyên tử helium.
Ở điều kiện thích hợp, helium có thể tồn tại dưới dạng lỏng ngay cả khi nhiệt độ được hạ xuống gần độ không tuyệt đối. Khác với hầu hết các chất, helium lỏng không dễ đông rắn ở áp suất khí quyển vì năng lượng điểm không (zero-point energy) của nguyên tử quá lớn, khiến cấu trúc tinh thể rắn không ổn định khi không có áp suất cao. Điều này giúp helium lỏng trở thành môi trường quan sát lý tưởng cho các hiện tượng lượng tử vĩ mô.
Bảng dưới trình bày các trạng thái của helium theo điều kiện nhiệt độ và áp suất:
| Trạng thái | Nhiệt độ (K) | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Helium khí | > 4.22 | Tồn tại ở điều kiện thông thường, nhẹ và trơ |
| Helium I | 2.17 – 4.22 | Lỏng thông thường, không siêu chảy |
| Helium II | < 2.17 | Siêu chảy, độ nhớt gần bằng 0 |
Tính chất vật lý của helium lỏng
Helium lỏng thể hiện nhiều tính chất vật lý độc đáo xuất phát từ cấu trúc nguyên tử nhẹ nhất trong mọi khí hiếm và tương tác van der Waals rất yếu. Do tương tác yếu, các nguyên tử helium chuyển động tự do với năng lượng dao động lượng tử cao, ngăn cản sự hình thành mạng tinh thể rắn ở áp suất khí quyển. Helium lỏng có mật độ rất nhỏ, chỉ khoảng 0.125 g/cm3 ở 4.2 K, cho phép nó trở thành chất lỏng nhẹ nhất từng được biết đến.
Độ nhớt của helium lỏng trong pha helium I rất thấp so với hầu hết các chất lỏng thông thường. Khi chuyển sang pha helium II, độ nhớt giảm xuống gần bằng 0, tạo ra hành vi chất lỏng lý tưởng khó tìm thấy trong tự nhiên. Helium lỏng cũng có khả năng dẫn nhiệt rất tốt, đặc biệt trong pha II khi quá trình truyền nhiệt diễn ra thông qua chế độ “nhiệt dung tử” hoặc cơ chế lượng tử đặc trưng.
Dưới đây là một số tính chất cơ bản của helium lỏng:
- Không có điểm đông đặc ở áp suất khí quyển, chỉ đông rắn khi áp suất rất cao.
- Mật độ thấp, dẫn nhiệt cao và độ nhớt gần như bằng 0 trong pha helium II.
- Ổn định ở nhiệt độ cực thấp, phù hợp làm môi trường thí nghiệm.
Điểm sôi và các pha của helium lỏng
Helium hóa lỏng tại 4.22 K và áp suất 1 atm, trở thành một chất lỏng trong suốt không màu. Khi được làm lạnh sâu hơn đến 2.17 K, helium chuyển tiếp từ pha helium I sang helium II qua điểm lambda, ký hiệu bằng λ, vì đồ thị nhiệt dung biểu diễn dạng này có hình chữ λ. Sự chuyển pha này tạo ra một chất lỏng có tính chất hoàn toàn khác biệt.
Pha helium I có tính chất tương tự chất lỏng thông thường nhưng vẫn thể hiện nhiều điểm đặc thù của chất lỏng lượng tử. Trong khi đó pha helium II mang đầy đủ đặc tính của trạng thái siêu chảy, trong đó chất lỏng có thể chảy qua các khe nhỏ mà không bị cản trở. Các thí nghiệm sử dụng helium II đã làm sáng tỏ nhiều hiện tượng lượng tử như các xoáy lượng tử và quá trình truyền nhiệt phi cổ điển.
Bảng so sánh các đặc tính của hai pha helium lỏng:
| Tính chất | Helium I | Helium II |
|---|---|---|
| Độ nhớt | Rất thấp | Gần bằng 0 |
| Dẫn nhiệt | Thấp | Cực cao nhờ chế độ siêu chảy |
| Khả năng leo thành bình | Không | Có, do hiệu ứng phim siêu chảy |
Hiện tượng siêu chảy của helium II
Siêu chảy là hiện tượng trong đó chất lỏng có thể chuyển động mà không chịu lực cản nhớt, nghĩa là độ nhớt bằng 0 trong phạm vi đo được. Helium II là chất lỏng duy nhất thể hiện siêu chảy rõ rệt ở áp suất khí quyển, đây là hiệu ứng vĩ mô của cơ học lượng tử. Cấu trúc lượng tử của helium II cho phép các nguyên tử chuyển động đồng pha như một hệ thống tập thể, tạo ra các dòng chảy ổn định mà không tiêu tốn năng lượng.
Helium II có thể leo thành bình chứa và thoát ra ngoài theo một lớp phim mỏng, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “film creep”. Hiện tượng này giúp chứng minh rằng pha helium II không hoạt động giống bất kỳ chất lỏng cổ điển nào. Khả năng dẫn nhiệt của helium II cao hơn mọi vật liệu thông thường vì truyền nhiệt diễn ra thông qua sóng nhiệt gọi là “second sound”, khác biệt hoàn toàn với dẫn nhiệt trong chất lỏng thông thường.
Danh sách các hiện tượng điển hình của helium II:
- Chảy qua các mao quản nhỏ mà chất lỏng thường không thể đi qua.
- Dẫn nhiệt hiệu quả nhờ sóng nhiệt lượng tử.
- Tạo xoáy lượng tử có số lượng xác định, biểu hiện của tính chất lượng tử vĩ mô.
Ứng dụng của helium lỏng trong khoa học
Helium lỏng là môi trường làm lạnh thiết yếu trong nhiều lĩnh vực khoa học đòi hỏi nhiệt độ cực thấp. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là làm lạnh nam châm siêu dẫn trong thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) và máy gia tốc hạt. Các nam châm siêu dẫn yêu cầu nhiệt độ dưới 10 K để duy trì trạng thái siêu dẫn, và helium lỏng là chất làm lạnh duy nhất có thể dễ dàng đạt đến mức nhiệt độ này trong điều kiện áp suất khí quyển.
Trong nghiên cứu vật lý lượng tử và vật lý chất ngưng tụ, helium lỏng đóng vai trò phương tiện để quan sát các hiện tượng lượng tử vĩ mô. Helium II đặc biệt phù hợp để nghiên cứu động lực học chất lỏng lượng tử, xoáy lượng tử và tính siêu chảy. Các thí nghiệm về hiệu ứng Josephson, siêu dẫn ở nhiệt độ cực thấp và vật liệu dựa trên hạt nhân cũng sử dụng helium lỏng làm nền nhiệt độ.
Dưới đây là các ứng dụng khoa học tiêu biểu:
- Làm lạnh nam châm siêu dẫn trong MRI và NMR.
- Hỗ trợ nghiên cứu cơ học lượng tử và chất lỏng siêu chảy.
- Duy trì môi trường nhiệt độ thấp trong thí nghiệm hạt nhân và vật lý nguyên tử.
- Được dùng làm môi trường chuẩn để đo đặc tính nhiệt động học ở nhiệt độ thấp.
Vai trò của helium lỏng trong công nghệ cryogenic
Kỹ thuật cryogenic là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng nhiệt độ thấp, trong đó helium lỏng là chất làm lạnh quan trọng nhất. Do khả năng đạt đến nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, helium lỏng được sử dụng trong các hệ thống cryostat, giúp duy trì môi trường nhiệt độ thấp ổn định để thực hiện thí nghiệm khoa học hoặc vận hành thiết bị công nghệ cao. Cryostat dùng helium lỏng thường được thiết kế nhiều tầng cách nhiệt nhằm giảm thất thoát năng lượng và tối ưu hóa tốc độ bay hơi helium.
Trong công nghiệp điện lạnh siêu thấp (ultra-low refrigeration), helium lỏng là thành phần cơ bản của các chu trình làm lạnh như chu trình Joule Thomson, chu trình Brayton và hệ thống làm lạnh He3–He4. Các hệ thống này được ứng dụng trong kính thiên văn hồng ngoại, thiết bị đo sóng hấp thụ và thiết bị siêu nhạy khác. Do nhu cầu sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và khoa học, helium lỏng trở thành một tài nguyên chiến lược trên thị trường cryogenic toàn cầu.
Danh sách ví dụ về ứng dụng cryogenic:
- Cryostat cho nghiên cứu vật liệu siêu dẫn.
- Hệ thống làm lạnh He3–He4 cho vật lý lượng tử.
- Thiết bị quan sát thiên văn trong vùng hồng ngoại xa.
- Các buồng thử nghiệm linh kiện điện tử ở nhiệt độ thấp.
Các nguồn cung và quy trình sản xuất helium lỏng
Helium không được sản xuất trực tiếp mà được chiết xuất từ nguồn khí tự nhiên. Một số mỏ khí có nồng độ helium đạt đến mức đủ để khai thác thương mại, thường nằm ở Mỹ, Qatar, Algeria và Nga. Quá trình chiết xuất gồm nén khí tự nhiên, tách các thành phần hydrocarbon và cuối cùng thu helium tinh khiết bằng phương pháp chưng luyện phân đoạn ở nhiệt độ cực thấp.
Sau khi thu được helium dạng khí tinh khiết, nó được làm lạnh theo chu trình lạnh sâu (cryogenic liquefaction) để tạo helium lỏng ở 4.22 K. Quá trình này tiêu tốn năng lượng lớn và yêu cầu thiết bị kỹ thuật cao, do helium không dễ hóa lỏng như các loại khí khác. Các tiêu chuẩn đo lường, độ tinh khiết và yêu cầu lưu trữ được các cơ quan như NIST cung cấp nhằm đảm bảo chất lượng helium lỏng trong nghiên cứu và công nghiệp.
Bảng tóm tắt các nguồn cung cấp helium lớn trên thế giới:
| Quốc gia | Tỷ lệ cung cấp toàn cầu | Đặc điểm nguồn helium |
|---|---|---|
| Hoa Kỳ | ~40% | Nguồn dự trữ helium quốc gia và nhiều mỏ khí |
| Qatar | ~30% | Cơ sở hóa lỏng quy mô lớn, công nghệ hiện đại |
| Algeria | ~10% | Chiết xuất helium từ mỏ khí tự nhiên Bắc Phi |
Vận chuyển và bảo quản helium lỏng
Do nhiệt độ cực thấp, helium lỏng phải được bảo quản trong bình chuyên dụng gọi là Dewar flask, được cấu tạo từ hai lớp vỏ kim loại hoặc thủy tinh cách nhiệt bằng chân không sâu. Bình Dewar hạn chế sự truyền nhiệt và giảm tốc độ bay hơi helium nhưng không thể ngăn hoàn toàn sự thất thoát do sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa môi trường và chất lỏng.
Trong vận chuyển, helium lỏng đòi hỏi quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn vì sự tăng áp suất có thể gây vỡ bình nếu không được giải áp kịp thời. Một số thiết bị Dewar công nghiệp có van xả tự động để tránh sự tích tụ áp suất. Helium dạng lỏng cũng thường được vận chuyển bằng container cryogenic lớn khi phục vụ cơ sở nghiên cứu hoặc bệnh viện.
Các yêu cầu an toàn cơ bản khi bảo quản helium lỏng:
- Dùng bình Dewar chuyên dụng có khả năng cách nhiệt cao.
- Có van xả áp để ngăn tăng áp suất nguy hiểm.
- Tránh tiếp xúc da trực tiếp để không gây bỏng lạnh.
- Đảm bảo thông khí trong khu vực lưu trữ nhằm tránh nguy cơ thiếu oxy.
Những thách thức trong sử dụng helium lỏng
Helium là tài nguyên không tái tạo trên quy mô ngắn hạn, được hình thành từ phân rã phóng xạ trong lòng đất hàng triệu năm. Do tốc độ khai thác nhanh và nhu cầu tăng cao, nguồn cung helium toàn cầu chịu nhiều áp lực. Giá helium lỏng biến động mạnh trong thập kỷ qua, khiến các phòng thí nghiệm và cơ sở y tế phải tối ưu hóa sử dụng để giảm thiểu chi phí.
Thất thoát helium trong quá trình bay hơi là một trong những thách thức kỹ thuật lớn. Vì helium có điểm sôi rất thấp, ngay cả mức cách nhiệt tốt cũng không thể ngăn hoàn toàn sự hóa hơi. Do đó nhiều tổ chức đang đầu tư hệ thống tái hóa lỏng helium (helium liquefier) để thu hồi và tái sử dụng khí helium bay hơi.
Các thách thức khác bao gồm nhu cầu trang thiết bị chuyên dụng, chi phí vận hành cao và yêu cầu an toàn nghiêm ngặt khi làm việc với vật liệu cryogenic. Những yếu tố này khiến việc sử dụng helium lỏng vừa có lợi ích khoa học lớn, vừa đòi hỏi quản lý tài nguyên thông minh và bền vững.
Tài liệu tham khảo
- National Institute of Standards and Technology (NIST). Cryogenics and Low Temperature Physics. https://www.nist.gov/pml
- American Physical Society. Helium Properties and Applications. https://www.aps.org/
- US Department of Energy. Helium Supply and Cryogenic Technologies. https://www.energy.gov/
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề helium lỏng:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10