Techniklexikon

Zweiter Schall

Supraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik , second sound, Oszillationen in der lokalen Energiedichte des Phononengases eines Festkörpers (Phononen). In Analogie zur Ausbreitung von Schall im klassischen Gas, bei der ein Energietransport auf Grund wellenartiger Fluktuationen in der lokalen Massendichte stattfindet (Erster Schall), manifestiert sich Zweiter Schall in Form von wellenartigen Fluktuationen in der Temperatur bzw. der Entropie. Zweiter Schall lässt sich somit durch Anlegen einer äusseren Wärmequelle mit periodisch verändernder Temperatur erzeugen. Wärmetransport findet dann nicht wie bei der gewöhnlichen Wärmeleitung auf Grund anharmonischer Phononenprozesse mittels Diffusion statt, sondern in Wellenform mit der charakteristischen Propagationsgeschwindigkeit des Zweiten Schalls.

Um die zur Ausbildung von Zweitem Schall notwendige Impulserhaltung zu erfüllen, müssen die Normalprozesse der Phonon-Phonon-Wechselwirkungen dominieren, was im allgemeinen für sehr reine Kristalle bei Temperaturen unterhalb der Debye-Temperatur erfüllt ist. Experimentell lässt sich der Zweite Schall z.B. in kristallinem ³He, ⁴He oder NaF beobachten sowie in suprafluidem Helium-II (Suprafluidität), in dem bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt für die Schallgeschwindigkeit des Zweiten Schalls  gilt, mit der (gewöhnlichen) Schallgeschwindigkeit c₁ » 235 m s^-1 des Ersten Schalls in Helium. Die Messung des Zweiten Schalls ermöglicht die Bestimmung von r_N und r_S, den Dichten der beiden Komponenten der Supraflüssigkeit (Zweiflüssigkeitsmodell):  (s: spezifische Entropie, C_p: spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck).

Der Dritte Schall ist eine Oberflächenwelle auf einem Helium-II-Film. Dabei handelt es sich um eine transversale Oszillation der Flüssigkeits-Dampf-Phasengrenze, die durch eine periodische Wärmezuführung an einer Stelle des Films bewirkt wird. Die Geschwindigkeit hängt von der Filmdicke d ab. Es gilt:  (f: Kraft pro Masseneinheit aus der zwischenmolekularen Wechselwirkung des Substrats, r: totale Dichte).

Der Vierte Schall ist eine Druckwelle in Helium-II innerhalb eines Superlecks, d.h. die normale Komponente der Flüssigkeit ist nicht mobil. Diese Wellenbewegung lässt die Grössen der totalen Dichte r, der relativen suprafluiden Dichte r_S / r, des Drucks p, der Temperatur T und der spezifischen Entropie s oszillieren. Es ist .