Показать меню

Ученые исследуют распространение тепла в сверхчистых кристаллах

Ученые исследуют распространение тепла в сверхчистых кристаллах

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали математическую модель процессов, происходящих при распространении тепла в сверхчистых кристаллах. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования. Об этом они рассказали в журнале Continuum Mechanics and Thermodynamics. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), кратко об итогах работы рассказывается в пресс-релизе РНФ.

Способность материалов проводить тепло связана с их внутренним строением. Атомы в любом твердом веществе при температуре, отличной от абсолютного нуля, совершают колебания относительно своего положения равновесия. Такие движения атомов могут распространяться в пространстве от одного атома к другому. Для более удобного описания процессов передачи колебательной энергии ученые ввели новую квазичастицу (частицу, которую можно рассматривать одновременно как волну) – фонон.

Для описания процессов передачи тепла в физике твердого тела используют свойства фононов. При повышении температуры амплитуда колебаний атомов в кристаллической решетке возрастает. Нагретые атомы испускают больше фононов. Фононы передаются по кристаллической решетке, и атомы во всем материале начинают колебаться с большей амплитудой. Увеличение амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки соответствует возрастанию температуры твердого тела.

Существующая теория теплопереноса утверждает, что тепловая энергия в твердых телах переносится фононами по аналогии с тем, как световая энергия переносится фотонами. Также эта теория учитывает возможность рассеяния (ослабления энергии) фононов из-за соударения с дефектами кристаллической решетки. При своем рассеянии фонон может менять направление движения, тем самым затрудняя процесс переноса тепла. Эта теория хорошо описывает распространение тепла в телах, содержащих большое количество дефектов, но плохо работает в случае сверхчистых кристаллов (реальных кристаллов, число дефектов в которых минимально).

Ученые из СПбПУ создали математическую модель, которая описывает перенос тепловой энергии в твердых телах на основе разрабатываемой ими теории баллистической теплопроводности. Эта теория рассматривает бездефектные кристаллы как совокупности частиц, соединенных между собой связями, способными растягиваться и сжиматься. При проведении расчетов по такой модели ученые выяснили, что передача тепла в сверхчистых кристаллах связана со свободным распространением фононов. Существующие теории теплопереноса в этом случае неприменимы.

Исследователям еще предстоит завершить создание теории баллистической теплопроводности, и в своей нынешней работе они описали тот математический аппарат, который лежит в ее основе. На примере сверхчистого кристалла ученые показали, что созданная ими модель хорошо описывает предполагаемые свойства физической системы, но в некоторых аспектах противоречит классической теории. Если ученым удастся показать, что созданный ими математический аппарат способен описывать наблюдаемые в реальности эффекты лучше существующей модели, то в будущем он сможет заменить классическую теорию. Исследователи СПбПУ совместно с коллегами из Берлинского технического университета уже ведут подготовку к эксперименту, который позволит проверить предсказания новой теории.

«В скором времени нами будет создана теория баллистического распространения тепла в сверхчистых материалах. Теория позволит разрабатывать эффективные методы отвода тепла с использованием уникальных тепловых свойств сверхчистых материалов, которые уже возможно получить с использованием современных технологий. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования», – говорит один из авторов исследования, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Антон Кривцов.

Автор: Иван Петров
По материалам: polit
Загрузка...
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Введите два слова, показанных на изображении: *
Загрузка...
Лента новостей
Акции «Яндекса» продолжили дешеветь19:19Украина изъяла российское судно «Норд»19:18Цены на бензин в РФ за месяц увеличились на 10%19:00Показатель одобрения Путина вновь снизился18:57При взрыве под Петербургом погибли двое18:57Ученые нашли различия между нейронами мозга крысы и человека18:56Председатель Мособлизбиркома станет главой Красногорска18:56Илон Маск продемонстрировал недорогую версию Tesla Model 318:38РЕН ТВ покажет видеодоказательства воскрешения из мёртвых18:20В Чечне наградили комиссию по определению границ с Ингушетией18:00Верховная рада одобрила проект бюджета на 2019-й17:58Под Петербургом прогремел взрыв17:39Из российского законопроекта о цифровых финансах убрали понятие майнинга17:38Основателя «Смотра.ру» приговорили к 4 годам 8 месяцам колонии17:20Верховный Суд утвердил обзор по защите прав потребителей17:00Стали известны детали крушения самолета на Кубани16:38В РЖД решили платить дивиденды имуществом16:20Вселенский патриархат отказался прекращать отношения с РПЦ16:01«Яндекс» решил разногласия по антипиратскому меморандуму16:00Число пострадавших в Керчи увеличилось до 45 человек16:00