St. Petersburg-forskere har utviklet en matematisk modell av prosessene som skjer under utbredelsen av varme i ultrapure krystaller. Dette vil åpne for muligheter for å lage nye materialer for bruk i kjølekretsløp for forskjellige utstyr. De snakket om dette på sidene til Magasinet Continuum Mechanics og Thermodynamics. Forskningen ble støttet av et tilskudd fra Russian Science Foundation (RSF).
Materialer kan lede varme på grunn av deres indre struktur. Atomer i hvilket som helst faststoff ved en annen temperatur enn absolutt null vibrerer rundt likevektsposisjonen. Slik bevegelse kan forplante seg i rommet fra et atom til et annet. For å lettere beskrive prosessene for overføring av vibrasjonsenergi, har forskere introdusert en ny kvasipartikkel (en partikkel som kan betraktes samtidig som en bølge) - et fonon.
For dette brukes egenskapene til fononer i fysikk i fast tilstand. Når temperaturen stiger, øker amplituden av atomvibrasjoner i krystallgitteret. De oppvarmede atomene avgir flere fononer. Fononer overføres gjennom krystallgitteret, og atomer i hele materialet begynner å vibrere med større amplitude. En økning i vibrasjonsamplitude av atomene i krystallgitteret tilsvarer en økning i temperaturen til det faste stoffet.
Den eksisterende teorien om varmeoverføring sier at fononer overfører termisk energi i faste stoffer - analogt med hvordan fotoner overfører lysenergi. Denne teorien tar også hensyn til at fononer kan spres på grunn av kollisjoner med krystallgitterfeil. Under spredningen kan fononet endre bevegelsesretningen og derved komplisere prosessen med varmeoverføring. Denne teorien beskriver godt forplantningen av varme i legemer som inneholder et stort antall defekter, men den fungerer ikke bra når det gjelder ultrapure krystaller (ekte krystaller, hvor mange feil er minimalt).
Forskere fra Peter the Greates SPbPU har laget en matematisk modell som beskriver overføring av termisk energi i faste stoffer på grunnlag av teorien om ballistisk termisk konduktivitet som de utvikler. Denne teorien anser mangelfri krystaller som en samling av partikler forbundet med bindinger som kan strekke seg og trekke seg sammen. Når de utførte beregninger ved bruk av denne modellen, fant forskere ut at varmeoverføring i ultrapure krystaller er assosiert med fri forplantning av fononer. De eksisterende teoriene om varmeoverføring er ikke anvendelige i dette tilfellet.
Formering av termisk forstyrrelse i et firkantet gitter som utfører tverrvibrasjoner / Anton Krivtsov / indicator.ru
Forskere har ennå ikke fullført opprettelsen av teorien om ballistisk termisk konduktivitet, og i sitt nåværende arbeid beskrev de det matematiske apparatet som ligger til grunn for den. Ved å bruke eksemplet på en superkryst krystall har forskere vist at modellen de laget beskriver godt de påståtte egenskapene til et fysisk system, men i noen aspekter motsier den klassiske teorien. Hvis forskere lykkes med å vise at det matematiske apparatet de har laget, er i stand til å beskrive effektene som er observert i virkeligheten bedre enn den eksisterende modellen, vil den i fremtiden kunne erstatte den klassiske teorien. SPbPU-forskere, sammen med kolleger fra Berlin tekniske universitet, forbereder seg allerede på et eksperiment som skal teste spådommene til den nye teorien.
- Snart lager vi en teori om ballistisk varmeforplantning i ultrapure materialer. Teorien vil tillate utvikling av effektive metoder for varmefjerning ved bruk av de unike termiske egenskapene til ultrapure materialer, som allerede er mulig å oppnå ved bruk av moderne teknologier. Dette vil åpne for muligheter for å lage nye materialer for bruk i kjølekretsløp for forskjellige utstyr, sier en av forfatterne av studien, korresponderende medlem av det russiske vitenskapsakademiet, doktor i fysiske og matematiske fag, professor Anton Krivtsov.
Salgsfremmende video:
