Pomerantschuk-Effekt

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Der Pomerantchuk-Effekt (nach dem russischen Physiker Isaak Jakowlewitsch Pomerantschuk) 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 Erstarrungswärme, 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 Pomeranchuk-Effekt beruht darauf, dass die Steigung der Schmelzkurve von 3He im p-T-Diagramm (Druck, Temperatur) bei T < 0,3 K negativ ist:

\frac{\mathrm dp} {\mathrm dT} < 0

Aus der Clapeyron-Gleichung

\frac{\mathrm dp} {\mathrm dT} = \frac{\Delta s} {\Delta v}

mit

folgt

\Rightarrow \frac{s_\mathrm{fl}-s_\mathrm{fest}} {v_\mathrm{fl}-v_\mathrm{fest}} < 0

und mit

v_\mathrm{fl} > v_\mathrm{fest}

folgt

\Rightarrow s_\mathrm{fl} < s_\mathrm{fest}

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