357-饱和液体氦-3的粘度性质与在线粘度计(黏度-氦-3(~3He)-粘度方程-输运性质)

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1、万方数据低温与超导第38卷第1期本期头条FocusCryo．＆Supereond．V01．38No．1饱和液体氦一3的粘度性质黄永华，王晓建，王如竹(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240)摘要：文中揭示了低温液态氦一3在其饱和蒸气压下粘度随温度状态参数变化的反常规律，首次提出了3He在0．003K至其临界温度3．3157K温区内完整的气液相平衡曲线粘度方程。该方程计算值与高精度实验数据偏差小于±0．7％，并且在极低温条件下光滑过渡为由量子理论预测的理论极限。这项工作是研究氦一3在整个温度和压力区间上粘度性质行为特性的起点，不仅是构建全区间粘度方程的重要边界

2、，而且对于理解费米一狄拉克量子统计规律在低温下的作用规律具有指导意义。关键词：氦一3(3He)；粘度方程；输运性质；饱和液体Viscositybehaviorofsaturatedliquid’HeHuangYonghua，WangXiaojian，WangRuzhu(InstituteofRefrigerationandCryogenics，ShanghmJiaotongUniversity，Shanghai200240，China)Abstract：Theabnormalviscositybehaviorofliquid3Heunderitsvaporpressur

3、eisdiscussed．Anequationisproposedfortheviscosityonthegas—liquidequilibriumlineattemperaturesfrom0．003Kto3．3175K．Theestimateduncertaintyoftheequa-tionuponthemeasurementsis±0．7％．Itsmoothlyjoinsthetheoreticallimitpredictedbythequantumtheoryatextremelylowtemperatures．Thisphaseboundaryequatio

4、n，along硝ttlthediscussions，axenotonlyastartingpointforstudyingtheviscositybehaviorof3Heinawiderrangeoftemperatureandpressure，butalsocouldleadtoabetterunderstandingofFermi—DiracSta-fisticsmechanismontransportpropertiesof3He．Keywords：’He，Equationofviscosity，Transportpropeny，Saturatedliquid1

5、引言氦的同位素氦一3(3He)是自然界中正常沸点或者临界点温度最低的流体，在氦气中的丰度约为百万分之一，极其稀罕。当前可利用的氦一3几乎都是由锂的中子捕获反应再经过12．5年的衰变获得，因此价格高昂。然而氦一3却在核聚变反应、中子探测以及低温工程等领域亦具有重要应用。在低温工程上，它是获得毫K级低温环境的最重要工质。在任何一项应用中，3He的热物理性质都是必须的。除了包括状态方程在内的热力学性质，3He的热导率、粘度和表面张力等输运性质也极其重要，在传热和流动的计算过程中不可或缺。另一方面，3He在低温下体现出与常规流体截然不同的热物理性质规律，这大都是由于此时3He表

6、现的强量子效应所致。对液态3He粘度的研究也将为更深入地理解量子统计效应的作用机制提供帮助。本文广泛收集和整理了自1949年开始研究3He热物性以来有关气液相平衡曲线上3He粘度的文献，通过整合各类实验数据和理论研究成果，揭示了低温下饱和液态3He的粘度随温度参数变化的反常规律。针对这一反常特性，同时考虑与常规流体共有的临界点突变特性，首次提出了3He在3mK至临界点3．3157K温区内完整的饱和液体粘度方程。该方程不仅定义了重要的粘度性质边界，而且对于掌握3He在整个液相区的粘度性质共性规律具有重要的指导意义。2氦一3粘度的早期定性理论研究极低温条件下，3He的性质与

7、费米量子理论紧密联系在一起，液态3He是理想的费米流体样收稿日期：2009—11一05基金项目：国家自然科学基金项目(50806047)；上海市浦江人才计划资助。作者简介：黄永华(1978一)，男，副教授，博士，主要从事流体热物理性质与低温制冷机研究。万方数据·2·本期头条Focus第1期本。因此，3He粘度的温度依赖特性是以往研究最多的方面之一。理论上，液体3He自旋系统的起始简并温度约为0．5K⋯，但是建立自旋简并的条件不适用于主导液体3He粘度的原子运动方式。基于费米一狄拉克统计，Tomonaga旧。和Po—meranehuk[31