Convective heat transport in two-phase superfluid/vapor ⁴He system

Abstract

We have recently shown that under certain cryogenic conditions heat can flow from a colder but constantly heated body to a hotter but constantly cooled body. Specifically, we have provided experimental evidence that heat flows through normal liquid and gaseous phases of ⁴He from the constantly heated, but cooler, bottom plate of a Rayleigh–Bénard convection cell to its hotter, but constantly cooled, top plate. Here we report results of a modified experiment, where the bottom normal liquid helium layer is replaced by superfluid ⁴He, providing, together with a superfluid film covering the entire cell interior, an effective thermal short-circuit. Applied heat input of order 1 W to the bottom plate results in simultaneous heating of the entire cell: this physical process can be viewed, at least approximately, as a series of subsequent equilibrium states, until upon reaching the superfluid transition the non-equilibrium processes described in our previous study [Proc. Nat. Acad. Sci. USA 110, 8036 (2013)] are fully recovered.

Нещодавно ми показали, що при певних кріогенних умовах тепло може надходити від тіла, яке є більш холодним, але постійно нагрівається, до тіла, яке є більш теплим, але постійно охолоджується. Зокрема, ми представили експериментальні дані, які свідчать про те, що тепло через нормальну рідку та газоподібну фази ⁴He передається від більш холодної нижньої пластини комірки Релея–Бенара, яка постійно нагрівається, до більш гарячої верхньої пластині цієї комірки, яка постійно охолоджується. Наведено результати модифікованого експерименту, в якому шар рідкого гелію замінюється надплинним ⁴He, що забезпечує, разом з надплинною поверхнею, що покриває всю внутрішню поверхню комірки, теплове коротке замикання. Прикладений тепловий потік близько 1 Вт на нижню пластину призводить до одночасного нагріву всієї комірки. Цей фізичний процес можна розглядати, принаймні приблизно, як ряд послідовних рівноважних станів, аж до досягнення надплинного переходу, нерівноважні процеси, які описані в нашому попередньому дослідженні [Proc. Nat. Acad. Sci. USA 110, 8036 (2013)], повністю відновлені.

Недавно мы показали, что при определенных криогенных условиях тепло может поступать от более холодного, но постоянно нагреваемого тела, к более горячему, но постоянно охлаждаемому телу. В частности, мы представили экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что тепло через нормальную жидкую и газообразную фазы ⁴He передается из постоянно нагреваемой, но более холодной нижней пластины конвективной ячейки Рэлея–Бенара, к более горячей, но постоянно охлаждаемой верхней пластине этой ячейки. Приведены результаты модифицированного эксперимента, в котором нижний нормальный слой жидкого гелия заменяется сверхтекучим ⁴He, обеспечивая вместе со сверхтекучей поверхностью, покрывающей всю внутреннюю поверхность ячейки, тепловое короткое замыкание. Приложенный тепловой поток порядка 1 Вт на нижнюю пластину приводит к одновременному нагреву всей ячейки. Этот физический процесс можно рассматривать, по крайней мере приблизительно, как ряд последовательных равновесных состояний, вплоть до достижений сверхтекучего перехода, неравновесные процессы, описанные в нашем предыдущем исследовании [Proc. Nat. Acad. Sci. USA 110, 8036 (2013)], полностью восстановлены.