Капицы скачок температуры - явление в жидком гелии,
состоящее в том, что при передаче теплоты от твёрдого тела к жидкому
гелию (или обратно) на границе раздела возникает разность температур DT [1].
Открыто П. Л. Капицей в 1941. В дальнейшем было установлено, что К. с.
т.- общее физ. явление при низких темп-pax: он возникает на границе
раздела любых разнородных сред (из к-рых, по крайней мере, одна - диэлектрик) при наличии теплового потока через границу (из одной среды в другую).
Скачок температуры DT прямо пропорционален плотности теплового потока Q и обратно пропорционален Т3:
где коэф. А зависит от упругости находящихся в контакте веществ, а также от характера обработки поверхности твёрдого тела. Величина RК=А/T3 наз. сопротивлением Капицы или граничным тепловым сопротивлением.
На границе отожжённая медь - жидкий 4Не при Т=0,1 К и Q=10-4 Вт/м2 DT=2,4.10-3 К. Т. о., RK=2,4.10-2/Т3 (м2К/Вт). Для др. металлов (при тех же условиях) RK
имеет близкие значения.
Теоретически показано (И. М. Халатников, 1952), что при низких темп-pax
теплообмен между жидкостью и твёрдым телом осуществляется посредством
тепловых фононов ,а К. с. т. на границе возникает из-за сильного рассогласования импедансов акустических двух сред и малости критич. угла, в пределах к-рого фононы
проходят из гелия в твёрдое тело [2].
Из законов отражения и преломления звука и граничных условий И. М.
Халатниковым получено след. выражение для сопротивления Капицы на
границе 4Не - твёрдое тело:
Здесь r и D - плотности жидкого гелия и твёрдого тела, с и ct- скорость звука в гелии и скорость поперечного звука в твёрдом теле, F
- функция упругих констант сред (порядка единицы).
Экспериментально было установлено, что реальный теплообмен, особенно при
T@1-2 К, происходит значительно лучше, чем это следует из акустич.
теории. Так, напр., для границы медь - 4Не при T>1 К теоретич. значение А =RКTЗ=5.10-2 м2К4/Вт, в то время как эксперим. значения A@(0,5-5).10-3 м2К4/Вт.
Значит, разброс эксперим. данных для одного и того же материала
обусловлен сильной зависимостью сопротивления Капицы от состояния
поверхности твёрдого тела: поверхностных шероховатостей и дефектов
поверхностного слоя, окислов и слоев адсорбированного газа, механич.,
хим. и термич. обработки поверхности. Тепловое сопротивление меньше для
грязных, деформированных образцов с травленой и механически полированной
поверхностью, оно существенно возрастает при отжиге, а также при
очистке поверхности электрополировкой и ионной бомбардировкой (при
условии хранения образца до измерений в сверхвысоком вакууме). К. с. т. резко увеличивается на свежесколотых в жидком гелии поверхностях. От контактирующей жидкости (4Не, 3Не или их растворов) К. с. т. зависит слабо.
Температурная зависимость сопротивления Капицы вида RK~AT-3 со значением коэф. А,
близким к теоретическому для чистых металлов, хорошо выполняется при
очень низких темп-pax (от 20 мК до 0,1-0,2 К) [3]. В этой области температур
роль поверхностных дефектов ослабевает в связи с ростом длины волны тепловых фононов. Для технически чистых металлов и сплавов
кубическая зависимость проводимости Капицы от Т наблюдается в более широком температурном интервале от 20 мК до 0,8-0,9 К с меньшими А. При T>1 К как для чистых, так и для грязных образцов в основном также выполняется зависимость , однако коэф. А, как правило, становятся ещё меньше.
Отклонения от закона T3
обусловлены зависимостью коэф. прохождения фононов через границу
твёрдое тело - жидкость от частоты со. Так, для границы жидкий гелий -
твёрдый гелий (4Не) при Т<1 К коэф. прохождения тепловых фононов w~w2~Т2, откуда [4].
К. с. т. препятствует охлаждению тел до сверхнизких температур, что обычно сказывается в рефрижераторах растворения 3Не в 4Не и ступенях ядерного размагничивания (см. Kpuocmam, Магнитное охлаждение). Для уменьшения К. с. т. площадь теплообменников увеличивают до сотен м2, изготавливая их из блоков спечённого субмикронного металлич. порошка.
К. Н. Зиновьева