液体ヘリウムと相転移

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液体ヘリウムと相転移の違い

液体ヘリウム vs. 相転移

容器の中の液体ヘリウム ヘリウムは、-269 ℃(約4 K)という極低温で液体として存在する。ヘリウムの安定な同位体には大多数を占めるヘリウム4と非常に希少なヘリウム3の2種類しかないが、沸点や臨界点は、同位体によって異なる。1気圧、沸点でのヘリウム4の密度は、約125 g/lである。 物性研究においても特に超伝導体や高磁場を発生する電磁石の冷却のために寒剤として多用される。このため規模の大きい大学や研究機関では、利便性の向上やコスト低減のために利用後の気化したヘリウムの回収配管とともに液化装置を所有していることが多い。. 転移（そうてんい、英語：phase transition）とは、ある系の相（phase）が別の相へ変わることを指す。しばしば相変態（そうへんたい、英語：phase transformation）とも呼ばれる。熱力学または統計力学において、相はある特徴を持った系の安定な状態の集合として定義される。一般には物質の三態（固体・固相、液体・液相、気体・気相）の相互変化として理解されるが、同相の物質中の物性変化（結晶構造や密度、磁性など）や基底状態の変化に対しても用いられる。相転移に現れる現象も単に「相転移」と呼ぶことがある。.

基底状態

基底状態（きていじょうたい、）とは、系の固有状態の内で最低のエネルギーの状態をいう。 古典力学では系の取りうるエネルギーは連続して存在するはずだが、ミクロの世界では量子力学によりエネルギーはとびとびの値を取る。その中で最低エネルギーの状態を基底状態とよび、それ以外の状態は励起状態とよぶ。 分子のような少数多体系であれば、基底状態は絶対零度の波動関数を意味する。しかし固体物理学では、有限温度での状態に対しても、素励起がなく、量子統計力学で記述される熱平衡状態をもって基底状態ということがある。これらは厳密には区別すべきものである。.

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エンタルピー

ンタルピー（）とは、熱力学における示量性状態量のひとつである。熱含量()とも。エンタルピーはエネルギーの次元をもち、物質の発熱・吸熱挙動にかかわる状態量である。等圧条件下にある系が発熱して外部に熱を出すとエンタルピーが下がり、吸熱して外部より熱を受け取るとエンタルピーが上がる。 名称が似ているエントロピー（）とは全く異なる物理量である。.

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磁場

磁場（じば、Magnetic field）は、電気的現象・磁気的現象を記述するための物理的概念である。工学分野では、磁界（じかい）ということもある。 単に磁場と言った場合は磁束密度Bもしくは、「磁場の強さ」Hのどちらかを指すものとして用いられるが、どちらを指しているのかは文脈により、また、どちらの解釈としても問題ない場合も多い。後述のとおりBとHは一定の関係にあるが、BとHの単位は国際単位系（SI）でそれぞれWb/m², A/m であり、次元も異なる独立した二つの物理量である。Hの単位はN/Wbで表すこともある。なお、CGS単位系における、磁場（の強さ）Hの単位は、Oeである。 この項では一般的な磁場の性質、及びHを扱うこととする。 磁場は、空間の各点で向きと大きさを持つ物理量（ベクトル場）であり、電場の時間的変化または電流によって形成される。磁場の大きさは、+1のN極が受ける力の大きさで表される。磁場を図示する場合、N極からS極向きに磁力線の矢印を描く。 小学校などの理科の授業では、砂鉄が磁石の周りを囲むように引きつけられる現象をもって、磁場の存在を教える。このことから、磁場の影響を受けるのは鉄だけであると思われがちだが、強力な磁場の中では、様々な物質が影響を受ける。最近では、磁場や電場（電磁場、電磁波）が生物に与える影響について関心が寄せられている。.

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超流動

超流動（英語：superfluidity）とは、極低温において液体ヘリウムの流動性が高まり、容器の壁面をつたって外へ溢れ出たり、原子一個が通れる程度の隙間に浸透したりする現象で、量子効果が巨視的に現れたものである。1937年、ヘリウム4が超流動性を示すことをピョートル・カピッツァが発見した。.

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臨界点

純物質の臨界点（りんかいてん、critical point）とは、気相 - 液相間の相転移が起こりうる温度および圧力の上限である。気体の温度を臨界点以下にしない限り、どれだけ圧縮しても気体は決して液化しない。また、臨界点より高い圧力の下では、どんなに加熱しても液体は決して沸騰しない。 純物質の臨界点は各物質に固有の値である。例えば水の臨界点は, である。臨界点の温度をその物質の臨界温度 、圧力を臨界圧力 という。物質の沸点 純物質の沸点と蒸気圧は各物質に固有の値ではなく、それぞれ圧力と温度により変化する。 は臨界温度以上にはならない。すなわち臨界温度は沸点の上限である（）。同様に、臨界圧力はその物質の蒸気圧 の上限である（）。臨界点における物質の密度を臨界密度 、モル体積を臨界体積 という。 水の臨界密度は 0.322±0.003 g/cm3 である。この値は常温常圧の水の密度の約1/3であり、水蒸気を理想気体と仮定したときの臨界点での密度の4.4倍である。 温度 を横軸、圧力 を縦軸とした相図では、気-液境界線（右図の青線）の右端の点が臨界点にあたる。すなわち蒸気圧曲線の右端の点が臨界点である。臨界点より低い温度・圧力で気液平衡にあるとき、気体の密度 は液体の密度 よりも小さい。気液平衡を保ちながら蒸気圧曲線に沿って温度 を上げていくと、気体の密度は増加し、液体の密度は減少する。臨界点に近づくにつれて二つの密度の差はますます小さくなり、 の極限で密度の差がなくなって となる。これは液相と気相の二相が平衡状態で境界面がある状態から、二相の密度が等しくなりその境界面がなくなる状態に変化することを意味している。また臨界点では、密度だけでなく、他の示強性の状態量も等しくなる。そのため、気-液境界線上の気相と液相のモルエンタルピー（または比エンタルピー）単位物質量あたり（または単位質量あたり）のエンタルピー。の差として定義される気化熱は、臨界点で 0 となる。すなわち蒸気圧曲線の右端の点は、気化熱が 0 となる点である。 臨界温度以下の気体を蒸気と呼ぶ。純物質の蒸気は等温的に圧縮すると相転移を起こして液化する。物質の温度と圧力を共に臨界点以上にすると、液体と気体の区別がつかない状態になる。この状態の流体を超臨界流体と呼ぶ。相図上で、臨界点を迂回する形で物質の状態を変化させると、密度が連続的に変化するような、蒸気⇔液体の変化が可能である。例えば、蒸気を を超えるまで定圧で加熱し、これを加圧して超臨界流体にしてから、 を下回るまで定圧で冷却すると液体になる。この一連の過程で相転移は起こらず、物質の状態は連続的に変化している。 固相と液相の間に、超高圧のもとで区別がなくなるような臨界点があるかどうかは未解明である。固相と液相の間の臨界点は、2015年現在、実験的に観測されたことがない。結晶は液体と対称性が違うのでガラスのような非晶質は液体と同じ対称性を持つ。、多くの研究者は、固体と液体の区別がなくなるような状態は存在しないと考えている。固液臨界点が存在する可能性は、理論的に、または計算科学により示されている。.

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沸点

沸点（ふってん、）とは、液体の飽和蒸気圧が外圧液体の表面にかかる圧力のこと。と等しくなる温度であるアトキンス第8版 p.122.

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