Способ моделирования сверхтекучести и способ получения вещества в виде водного раствора для его реализации

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕСТИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЕЩЕСТВА В ВИДЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(71) Заявители Рыжкович Ромуальд Леонидович Учреждение образования Минский государственный высший радиотехнический колледж(72) Авторы Рыжкович Ромуальд Леонидович Тихонова Людмила Андреевна Булышкин Алексей Александрович Ждановский Арсений Матвеевич Житников Андрей Леонидович Морговка Надежда Михайловна Мякинник Алексей Сергеевич Олесевич Дмитрий Сергеевич Рыжкович Леонид Ромуальдович Самсонов Сергей Андреевич Тиханович Денис Владимирович Грицук Анастасия Александровна Парфинович Сергей Александрович(73) Патентообладатели Рыжкович Ромуальд Леонидович Учреждение образования Минский государственный высший радиотехнический колледж(57) 1. Способ моделирования сверхтекучести, при котором вещество в виде водного раствора плотностью 1,41-1,43 г/см 3, содержащего воду, медь сульфат и натрий нитрат,помещают в открытые для испарения воды сосуды, разделенные непроницаемой для этого 15597 1 2012.04.30 вещества стенкой, так, чтобы вещество в них оказалось на разных уровнях, после чего выдерживают в течение времени, необходимого для формирования путем изотермической кристаллизации на поверхности разделительной стенки твердофазной пленки, соединяющей вещество в сосуде, в котором его уровень выше, с сосудом, где этого вещества нет вовсе или его уровень ниже, таким образом, чтобы нижний ее край в сосуде, где этого вещества нет вовсе или его уровень ниже, стал ниже уровня вещества в сосуде, в котором его уровень выше, и наблюдают перемещение вещества по твердофазной пленке из одного сосуда в другой до выравнивания уровней, при этом способ осуществляют при температуре выше 0 С. 2. Способ моделирования сверхтекучести по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют его при температуре от 15 до 25 С. 3. Способ моделирования сверхтекучести по п. 1, отличающийся тем, что после формирования твердофазной пленки вещество в сосуде, в котором его уровень выше,дополняют свежей порцией такого же вещества, после чего наблюдают ускоренное перемещение вещества по сформированной ранее твердофазной пленке из одного сосуда в другой до выравнивания уровней. 4. Способ получения вещества в виде водного раствора для моделирования сверхтекучести способом по любому из пп. 1-3, при котором компоненты, подлежащие растворению, а именно медь сульфат пятиводную и натрий нитрат, в количествах, заведомо превышающих предел их растворимости, растворяют в воде совместно, а затем либо выдерживают получившийся раствор в открытом для испарения воды сосуде в течение времени, достаточного для осуществления фазы его созревания до получения плотности раствора в интервале 1,41-1,43 г/см 3 без удаления остатка нерастворившейся части компонентов, либо созревание проводят в другом сосуде после удаления остатка. 5. Способ получения вещества по п. 4, отличающийся тем, что в 100 граммах воды растворяют медь сульфат пятиводную в количествах от 30 до 50 граммов, а натрий нитрат - от 50 до 100 граммов. Изобретение относится к области моделирования физических явлений и может быть использовано в учебном процессе при изучении курса физики, а также в научноисследовательской работе для дальнейшего раскрытия механизма явления сверхтекучести. Известно, что явление сверхтекучести было открыто в 1938 г. П.Л. Капицей (Нобелевская премия 1978 г.), который обнаружил при температуре ниже 2,17 К переход жидкого гелия 4 Не в новую модификацию (гелий-) 1, с. 59, обладающую рядом удивительных особенностей. В частности, он отметил, что интересными свойствами обладает сверхтекучая пленка жидкого гелия, образующаяся на твердой стенке того сосуда, в котором он помещен 1, с. 60. Эта пленка обладает способностью самопроизвольно переползать из сосуда в сосуд по разделяющей сосуды стенке до тех пор, пока уровни жидкого гелия- в них не станут равными. В 1972 г. сверхтекучесть при температурах ниже 0,0026 К была открыта еще у одного вещества - у изотопа гелия 3 Не (Нобелевская премия 1996 г.) 1,с. 59. Других примеров проявления сверхтекучести не установлено. Однако поскольку сверхтекучесть в настоящее время наблюдается только у изотопов гелия 4 Не и 3 Не и происходит это только при очень низких температурах (у 4 Не - ниже 2,17 К, у 3 Не - ниже 0,0026 К), что связано с огромными техническими трудностями, то наблюдение и исследование этого уникального явления (удостоенного нескольких Нобелевских премий) доступно сегодня очень и очень немногим. Только этим (сверхнедоступностью) и объясняется тот факт, что сверхтекучесть пока не нашла никакого практического применения. Задачами, решаемыми изобретением, являются 2 15597 1 2012.04.30 во-первых, создание простого и доступного способа моделирования одного из проявлений сверхтекучести - способности жидкого вещества самопроизвольно перемещаться из одного сосуда в другой по поверхности разделяющей их стенки, но не при температуре жидкого гелия, как было до сих пор, а при комнатной температуре во-вторых, создание простого и доступного вещества в виде водного раствора, способного самопроизвольно перемещаться при комнатной температуре из одного сосуда в другой по поверхности разделяющей их стенки в-третьих, создание простого способа получения вещества, пригодного для реализации способа моделирования сверхтекучести. Все это в конечном итоге должно содействовать повышению качества образования,расширению фронта работ по исследованию сверхтекучести и привести наконец к появлению примеров практического использования данного явления. Задачи, поставленные в изобретении, решаются следующим образом. В способе моделирования сверхтекучести используют, согласно изобретению, вещество в виде водного раствора. Это позволяет значительно повысить температуру наблюдения самопроизвольного переползания используемого вещества по поверхности разделяющей сосуды стенки, и, вместо практически недоступных нам криогенных температур,проявление сверхтекучести наблюдают при температурах выше 0 С. Наиболее предпочтительным и доступным следует считать интервал от 15 до 25 С, поскольку обеспечение этих температур не требует от нас принятия каких-то специальных мер. Кроме того, для осуществления способа вещество (в виде водного раствора) помещают в открытые для испарения воды сосуды. Признак этот является весьма существенным,поскольку на первой стадии реализации способа данному веществу дают возможность,путем изотермической кристаллизации, сформировать на поверхности разделительной стенки твердофазную пленку, которая у данного вещества обладает способностью самопроизвольно распространяться вверх по разделительной стенке от жидкости из сосуда, где ее уровень выше, и, преодолев ее, самопроизвольно опускаться с обратной стороны в сосуд, где этой жидкости нет вовсе или где ее уровень ниже. Когда край твердофазной пленки с обратной стороны разделительной стенки опустится ниже уровня жидкости в исходном сосуде, наблюдают вторую стадию самопроизвольного перемещения вещества из одного сосуда в другой до выравнивания уровней, но уже в виде жидкой фазы по сформировавшейся ранее твердофазной пленке. Длительность второй стадии можно значительно сократить. Для этого, согласно изобретению, поступают следующим образом после завершения первой стадии - формирования на поверхности разделительной стенки твердофазной пленки, нижний край которой с обратной стороны разделительной стенки опустился ниже уровня жидкости в исходном сосуде, вещество в исходном сосуде дополняют свежей порцией такого же вещества. Сразу же после этого наблюдают значительно ускоренное (по сравнению с первым вариантом осуществления способа) самопроизвольное перемещение вещества из одного сосуда в другой по сформировавшейся ранее твердофазной пленке. Длительность второй стадии перемещение вещества из одного сосуда в другой в виде жидкой фазы по твердофазной пленке - в этом варианте практически совсем не зависит от внешних (температура - давление - влажность) условий и может сократиться с 10-20 суток по первому варианту осуществления способа до 5-10 часов по второму. Что касается пригодного для реализации способа моделирования сверхтекучести вещества, то, согласно изобретению, оно представляет собой раствор, который, помимо воды, содержит растворенные в ней до насыщения натрий нитрат (3) и медь сульфат пятиводную (452). Способ получения этого, пригодного для реализации способа моделирования сверхтекучести вещества, согласно изобретению, состоит в следующем. 15597 1 2012.04.30 Компоненты, подлежащие растворению, а именно натрий нитрат (3) и медь сульфат пятиводную (45 Н 2 О), берут в количествах, заведомо превышающих предел их растворимости в данной композиции при данных внешних (температура, давление) условиях. В расчете на 100 граммов воды количество натрий нитрата (3) может быть взято от 50 до 100 граммов, а меди сульфат пятиводной (45 Н 2 О) - от 30 до 50 граммов. Так поступать (брать не точно, а заведомо больше, чем может раствориться) предпочтительней, поскольку отпадает необходимость в контроле и поддержании на нужном уровне температуры и давления, а впоследствии и влажности. Реализация изобретения при таком подходе максимально упрощается. Компоненты, согласно изобретению, растворяют в воде совместно. Что касается нерастворившегося остатка, то он никак не влияет на дальнейшее осуществление заявленных в изобретении задач. Исключительно из эстетических соображений остаток можно отделить от раствора, а можно и оставить. Дело в том, что сразу после растворения вещество не готово демонстрировать свои необычные свойства - самопроизвольно переползать из сосуда в сосуд по разделительной стенке. Поэтому, согласно изобретению, раствор предварительно выдерживают в открытом для испарения воды сосуде время, достаточное для так называемого созревания. Суть этой операции - созревание - состоит в том, что вначале, по мере испарения воды, из раствора должно выпасть определенное количество твердого осадка (на дне или стенках сосуда, т.е. внутри раствора) и лишь после того как плотность раствора достигнет значений в интервале 1,41-1,43 г/см 3, т.е. созреет, образующаяся в дальнейшем при испарении воды твердая фаза приобретает способность выпадать не внутри раствора, а вне его в виде твердофазной, самопроизвольно ползущей по стенке сосуда пленки. Таким образом, в конце стадии созревания на дне и стенках сосуда ниже уровня раствора может (без всяких последствий для осуществления способа) в дополнение к остатку от растворения прибавиться и осадок от изотермической кристаллизации при созревании,если остаток не удаляли. Поэтому весь процесс моделирования сверхтекучести от начала до конца можно проводить, в принципе, всего с двумя сосудами. В одном из них готовят раствор и, не удаляя остаток, вкладывают его в другой, большего размера, пустой сосуд и уже до самого конца процесса, т.е. до самопроизвольного выравнивания уровней жидкости в обоих сосудах, ничего больше конструктивно в этой системе не изменяют. Сущность изобретения поясняется фигурами. На фиг. 1-6 схематично показана, согласно изобретению, последовательность самопроизвольного переноса при комнатной температуре вещества в виде водного раствора 3 по поверхности разделительной стенки из сосуда 2 в сосуд 1. Фиг. 1 - это начальный момент осуществления способа. Показано, что в сосуд 2 помещают некоторое количество пригодного для реализации способа вещества в виде водного раствора 3. Отмечен начальный уровень жидкости, чтобы потом можно было заметить происходящие с этим уровнем изменения. Фиг. 2 - показано зарождение на поверхности разделяющей сосуды стенки твердофазной пленки 4. Стрелками указано направление ее самопроизвольного распространения. Фиг. 3 - изображен момент, когда пленка 4 достигает вершины стенки сосуда 2. Показано, что уровень жидкости 3 из-за испарения воды и образования пленки 4 опускается все ниже и ниже относительно начального уровня. Фиг. 4 - изображен момент окончания первой стадии самопроизвольного перемещения вещества из сосуда 2 в сосуд 1. Показано, что нижний край твердофазной пленки опустился ниже уровня жидкости в сосуде 2. С этого момента начинается - фиг. 5 - вторая стадия самопроизвольного перемещения вещества из сосуда 2 в сосуд 1. Вещество 3 из сосуда 2 в сосуд 1 на этой стадии перемещается (по стрелкам) уже в виде жидкости 5 по пленке 4. 15597 1 2012.04.30 Наконец, на фиг. 6 показан момент окончания процесса самопроизвольного перемещения жидкости из сосуда 2 в сосуд 1, который связан с тем, что уровни жидкостей в сосудах выравнялись. На фиг. 7-9 приведены фотографии, подтверждающие реальность примеров осуществления способа моделирования сверхтекучести. На фиг. 7 а-ж показана начальная стадия самопроизвольного образования твердофазной пленки в первые 7 суток, что соответствует, согласно изобретению, схемам на фиг. 13. Созревание вещества в данном примере заняло 4,5 суток - фиг. 7 а, б, д. За следующие 2,5 суток, т.е. достаточно быстро, твердофазная пленка сумела самопроизвольно доползти фиг. 7 в-е, г-ж - до самого верха разделительной стенки. На фиг. 8 а-л показана суть второй стадии наиболее интересного ускоренного (в течение считанных часов) варианта реализации способа моделирования сверхтекучести. Согласно изобретению, примерно в 1800 13-05-09 во внутренний сосуд системы с уже предварительно сформированной на разделительной стенке твердофазной пленкой было долито созревшее (в виде водного раствора) вещество. Хорошо заметно (фиг. 8 а), что уже через 9 минут из внутреннего сосуда во внешний сосуд самопроизвольно натекло по твердофазной пленке довольно заметное количество раствора. Последующие фотографии фиг. 8 б-л - демонстрируют, как за считанные часы вещество самопроизвольно перетекает из внутреннего сосуда во внешний до выравнивания уровней. Один из механизмов перемещения жидкости в рассмотренном на фиг. 8 примере - капельный - зафиксирован на фиг. 9 а-ж. Всего одна минута, в частности, требуется для зарождения и отрыва капли самопроизвольно перемещающейся из сосуда в сосуд жидкости(фиг. 9 б - фиг. 9 ж). Изобретение проверено в лабораторных условиях. Следующие примеры поясняют изобретение, однако не ограничивают его. Пример 1. Исходные компоненты для приготовления вещества были взяты, согласно изобретению, в следующем количественном соотношении на 100 граммов воды 50 граммов меди сульфат пятиводной (452) и 100 граммов натрий нитрата (3). Образовавшийся водный раствор отделили от нерастворившегося остатка и в количестве 120 граммов поместили в открытый для испарения воды стеклянный стакан на 150 мл фиг. 7 а. Созревание раствора до плотности 1,419 г/см 3 продолжалось примерно 4,5 суток(фиг. 7 а-б, д), после чего началась первая стадия самопроизвольного перемещения вещества в виде твердофазной пленки вверх по разделительной стенке - фиг. 7 б-ж. За трое суток пленка доползла до вершины разделительной стенки, и даже начала опускаться по ней с обратной стороны - фиг. 7 ж. Всего же первая стадия - формирование твердофазной пленки - длилась около 20 суток. Вторая стадия - самопроизвольное перемещение вещества из одного сосуда в другой в виде жидкой фазы по твердофазной пленке до выравнивания уровней жидкости в них проходила в последующие за первой стадией 12 суток. Пример 2. Пример реализации ускоренного, самопроизвольного, вследствие сверхтекучести, перемещения вещества. Исходные компоненты для приготовления вещества были взяты, согласно изобретению, в следующем количественном соотношении на 100 граммов воды 35 граммов меди сульфат пятиводной (452) и 60 граммов натрий нитрата (3). Поместили эти компоненты общей массой 150 грамм в открытый для испарения воды стандартный одноразовый (на 200 мл) пластмассовый стакан и, не отделяя образовавшееся в виде водного раствора вещество от нерастворившегося остатка, реализовали, согласно изобретению, все стадии способа моделирования сверхтекучести. 5 15597 1 2012.04.30 Созревание раствора до плотности 1,422 г/см 3 длилось 15 суток. Затем выжидали еще 25 суток, пока на поверхности разделительной между двумя сосудами стенки не сформировалась твердофазная пленка. После завершения первой стадии способа, согласно изобретению, вещество в исходном сосуде (фиг. 8) дополнили свежей порцией такого же вещества. Вследствие этого вторая стадия - перемещение вещества из одного сосуда в другой в виде жидкой фазы по подготовленной ранее твердофазной пленке - значительно сократилась во времени. Вместо многих суток - считанные часы (фиг. 8). Таким образом, приведенные выше примеры подтверждают возможность осуществления изобретения в полном объеме. Предложенные способ моделирования сверхтекучести и способ получения вещества в виде водного раствора для его реализации позволяют наблюдать и исследовать сверхтекучесть при нормальных (присущих нашему быту) физических условиях с использованием распространенных компонентов, что делает эту процедуру широко доступной. Следует также понимать, что все модификации, разновидности и эквивалентные решения, очевидные для специалистов в данной области техники, но не рассмотренные в примерах реализации, входят в объем заявляемого изобретения. Источники информации 1. БСЭ. - М. Советская энциклопедия, 1976. - Т. 23. - С. 59-60. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9