Hélio líquido

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Hélio liquido em um recipiente.

O hélio existe na forma líquida somente a temperaturas extremamente baixas. Seu ponto de ebulição e ponto crítico depende do isótopo do hélio; ver a tabela abaixo para valores. A densidade do hélio-4 líquido em seu ponto de ebulição e a 1 atmosfera (atm) é aproximadamente 0,125 g/mL[1]

O hélio-4 foi liquefeito pela primeira vez em 10 de julho de 1908 pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes.[2] Hélio-4 líquido é usado como um refrigerante criogênico; é produzido comercialmente para uso em magnetos supercondutores tais como aqueles usados em IRM ou RMN. É liquefeito usando-se o ciclo de Hampson-Linde.[3]


As temperaturas requeridas para liquefazer o hélio são baixas devido à fraqueza da atração entre os átomos de Hélio. As forças intramoleculares são fracas, primeiramente, porque o Hélio é um gás nobre, mas a atração interatômica é reduzida ainda mais por efeitos quânticos, os quais são importantes no Hélio em função de sua pequena massa atômica. A energia de ponto zero do líquido é menor se os átomos estiverem menos aglutinados por seus vizinhos; portanto o líquido pode reduzir sua energia de estado fundamental aumentando sua distância interatômica. No entanto, à essa maior distância, o efeito das forças intramoleculares é ainda mais fraco.[4]

Devido às fracas forças intermoleculares, o Hélio permanece líquido até no zero absoluto, apenas solidificando-se sob grande pressão. A uma temperatura suficientemente baixa, ambos Hélio-3 e Hélio-4 sofrem uma transição a uma fase superfluida (vide tabela abaixo).[4]


O Hélio-3 e o Hélio-4 não são completamente miscíveis abaixo de 0,9 K à pressão de vapor saturada. Abaixo dessa temperatura uma mistura dos dois isótopos sofre separação de fases entre um fluido normal e menos denso, em sua maioria composto de hélio-3 e um superfluido mais denso constituído predominantemente de hélio-4 (isso ocorre pois o sistema pode reduzir sua entalpia com a separação). Em baixas temperaturas, a fase de hélio-4 pode conter até 6% de hélio-3, o que torna possível a existência de refrigeradores de diluição, capazes de atingir temperaturas de poucos milikelvin acima do zero absoluto.[5][6]


Propriedades do hélio líquido Hélio-4 Hélio-3
Temperatura crítica[4] 5.2 K 3.3 K
Ponto de ebulição a 1 atm[4] 4.2 K 3.2 K
Pressão mínima de fusão[7] 25 atm 29 atm at 0.3 K
Temperatura de transição de superfluido a pressão de vapor saturado 2.17 K[8] 1 m K em campo magnético zero[9]

Referências

  1. Liquid Helium - safety.seas.harvard.edu (em inglês)
  2. Wilks, p. 7
  3. Daniel V. Schroeder (2000). An Introduction to Thermal Physics. [S.l.]: Addison Wesley Longman. p. 141. ISBN 0201380277 
  4. a b c d Wilks, p. 1.
  5. D. O. Edwards, D. F. Brewer, P. Seligman, M. Skertic, and M. Yaqub (1965). «Solubility of He3 in Liquid He4 at 0°K». Phys. Rev. Lett. 15: 773. doi:10.1103/PhysRevLett.15.773 
  6. Wilks, p. 244.
  7. Wilks, pp. 474-478.
  8. Wilks, p. 289.
  9. Dieter Vollhart and Peter Wölfle (1990). The Superfluid Phases of Helium 3. [S.l.]: Taylor and Francis. p. 3