Pomerantschuk-Effekt

Der Pomerantschuk-Effekt (nach dem russischen Physiker Isaak Pomerantschuk[1]) ist eine Kompressionskühlung entlang der ³He-Schmelzkurve infolge einer Dichteanomalie.

Flüssiges ³He kann unterhalb von etwa T = 0,3 K (= −272,85 °C) durch Wärmezufuhr fest werden (positive Kristallisationsenthalpie, normalerweise negativ). Die dazu nötige Wärme wird dem umliegenden System entzogen, z. B. durch adiabatische Kompression, es wird gekühlt, daher die Bezeichnung Kompressionskühlung. (Bei herkömmlichen Flüssigkeiten ohne Anomalie oder auch bei ³He oberhalb von 0,3 K führt eine Kompression dagegen zu einer Erwärmung.)

p-T-Diagramm von ³He
(logarithmische Temperaturskala);
die Schmelzkurve ist die Grenze zwischen Feststoff (solid) und normaler Flüssigkeit (normal liquid)

Der Pomerantschuk-Effekt beruht darauf, dass die Steigung der Schmelzkurve von ³He im p-T-Diagramm (Druck, Temperatur) bei T < 0,3 K negativ ist:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} p}{\mathrm {d} T}}<0}$

Aus der Clapeyron-Gleichung

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} p}{\mathrm {d} T}}={\frac {\Delta s}{\Delta v}}}$

mit

${\displaystyle \Delta s}$ – Änderung der Entropie beim Phasenübergang

${\displaystyle \Delta v}$ – Änderung des Volumens

folgt

${\displaystyle \Rightarrow {\frac {s_{\text{fl}}-s_{\text{fest}}}{v_{\text{fl}}-v_{\text{fest}}}}<0}$

und mit

${\displaystyle v_{\mathrm {fl} }>v_{\text{fest}}}$

folgt

${\displaystyle \Rightarrow s_{\text{fl}}<s_{\text{fest}}}$

d. h. die feste Phase von ³He hat bei T < 0,3 K eine höhere Entropie als flüssiges ³He (normalerweise ist es umgekehrt).