Likvifikacija Helijuma

Kriogena laboratorija u Leidenu, 1895.

Šematski dijagram likvifajera helijuma koji je koristio Kamerlingh Onnes.

 

    Svet je bio spreman za likvifakciju helijuma na početku dvadesetog veka. Značaj likvifakcije Helijuma dovodi do mogućnosti postizanja sve nižih temperatura.
Heike Kamerlingh Onnes-u sa Leiden Univerziteta u Holandiji, je pošlo prvom od ruke da to izvede, svojim drugačijim pristupom pobedio je Dewar -a, koji je bio pobednik u likvifakciji vodonika 1898. godine.
I ako je Onnes smatran velikim eksperimentalistom, uvek je obraćao pažnju na teoriju, svoja istraživanja je bazirao na teoretskoj analizi.
Kao van der Waals's -ov student, Onnes odaje van der Waals's -ovoj teoriji (van der Waals's -ova teorija pokazuje da sve tečnosti i gasovi (fluidi) kada se uporede na istoj sniženoj temperaturi i smanjenom pritisku, imaju približno isti faktor kompresije i da svi odstupaju od idealnog ponašanja gasa do približno istog stepena, inače van der Waals's 1910. godine dobija Nobelovu nagradu za fiziku zbog svog doprinosa teoriji stanja gasova i tečnosti) priznanje da mu je bila vodič do kraja njegovog rada na likvifikaciji gasova, uz pomoć Joule-Thomson ekspanzije, počevši od temperature smrzavanja vodonika (odnosi se na metodu ekspanzije u kojoj fluid pod pritiskom P1, bez značajne promene kinetičke energije, teče u područje nižeg pritiska P2. Tokom takve ekspanzije, ne bi došlo do promene entalpije (mera totalne energije termodinamičkog sistema)).
Onnes je procenio inverznu temperaturu Helijuma 23K na 37 atmosferskog pritiska, što mu se činilo da je moguće postići. Takođe je procenio i kritičnu temperaturu Helijuma na 5,3K, što je bilo veoma blizu 5.13K!
Držao se savremenih teorija, uključujući i "staru kvantnu teoriju" kao i novonastalu kvantnu mehaniku na početku dvadesetog veka.

Bio je veliki pronalazač, na primer modifikovao je Cailletet -ov kompresor (Cailletet je prvi likvificirao kiseonik kaskadnim procesom adijabatske (razmena toplote sistema sa spoljnom sredinom zanemarljiva) ekspanzije kompresovanog gasa) koji je bio korišćen za kompresiju i cirkulaciju helijuma na 10 atm. Isto tako je proširio kaskadni pristup do četiri ciklusa koristeći metil hlorid, etilen, kiseonik, i vazduh 1894. godine, što je omogućilo produkciju od približno 14 litara tečnog vazduha na sat, takođe je usavršio likvifikaciju vodonika čime je premašio Dewar's -ov princip likvifikacije vodonika većom količinom dobijenog tečnog vodonika (4-13 litara na čas)
Da bi ostvario cilj napraviti dovoljne količine tečnog helijuma, Onnes je morao da dobije velike količine gasa helijuma. Kao izvor Helijuma pronašao je mineral koji u sebi ima helijum, mineral je torijum noseći monazit. Uspeo je tada da izvuče par kubnih centimetara "sirovog" gasa helijuma za svaki gram peska minerala.
"Sirov" gas helijuma je morao da se očisti, pošto bi nečistoće kao što su argon, neon, ili vodonik smrznule i izazvale blokadu rashladnog procesa Onnes-ovog eksperimenta, u početku likvifikacije helijuma kroz ovako težak i zahtevan postupak Onnes je uspeo da skupi preko 300 litara tečnog čistog helijuma.

Onnes-ova osnovna ideja je bila da uzme kaskadni pristup i tako postigne temperature za likvifikaciju helijuma. Više ciklusa sa različitim gasovima, uključujući tu metil hlorid (hlađen vodom), etilen, kiseonik, vazduh, vodonik koji su bili uključeni u Onnes -ove kaskade.
Svaka kaskada je bila jedan rashladni proces u zatvorenom sistemu koji se sastojao od kompresora, ekspanzionog rezervoara, i pumpe. Svi rashladni procesi su radili kontinuirano.
Ispareni gas koji se pumpao iz kupke sa rashladnim sredstvom, bio je kompresovan, ekspandiran, i ponovo re-likvikofan. Temperatura kupke prethodnog procesa je bila startna tačka za novi proces. Svaka kupka je služila kao rezervoar rashladnog sredstva za likvifikaciju istog na niže kondenzacione temperature. Vodonik je bio zadnji ciklus. Kompresovani vodonik je likvifikovan pomoću Joule-Thomson ekspanzije (ekspanzija gde se fluid (tečnost ili gas) prisilno prigušuje adijabatski a zatim ekspanduje sa višeg na niži  pritisak, dok se između fluida i njegove okoline ne razmenjuje toplota). 

Adijabatski proces je proces gde se fluid drži termalno izolovan od okolne sredine, tako da nema razmene toplote između fluida i okoline.
Tečni helijum je prvo bio skladišten u stakleno srebrom dewaru, zatim je tečni vodonik bio ispumpan i ohlađen na nekih 15K, proces se može videti na slici uz tekst.
Slika uz tekst prikazuje likvifikator helijuma korišćen od Onnes.a.

Helijum je imao svoje cikluse i ponavljajući JT proces hlađenja, što je bilo neophodno pošto helijum nije bio u stanju da se likvifikuje jednostavnim slobodnim širenjem.
U vreme eksperimenta, Onnes je spremio 75 litara tečnog vazduha, 20 litara tečnog vodonika, i 360 litara čistog gasa helijuma (200 litara je služilo za cirkulaciju i likvifikaciju, a 160 litara je stajalo u rezervi).
Eksperiment likvifikacije helijuma je sproveden 10.jula 1908 godine, bilo je potrebno približno 13 sati da bi se skupilo približno 60mL tečnog helijuma koji je stajao "oštro uz posudu kao ivica noža o stakleni zid".
Temperatura helijuma je bila 4,25K merena termometrom punjenim gasom helijuma. Onnes je ispumpao paru iznad tečnosti i pokušao da zamrzne helijum. Temperatura tečnog helijuma je pala ispod 1,8K na osnovu Onnes -ovog saznanja u tom trenutku ali se helijum nije smrzao. Pritom je zaključio da je kritični pritisak helijuma između 2 i 3 atmosfere (tačno 2,25 atm).
Ovaj eksperiment je doveo do neočekivanog otkrića superprovodljivosti žive u Laidenu 8.aprila 1911. godine.