Hélio líquido

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]

Hélio liquido em um recipiente.

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 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. 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 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
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