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
Украина заблокировала российский танкер на три года19:02Украина заявила о блокировке российского танкера "Механик Погодин" на три года18:57Долги по зарплатам в Российской Федерации увеличились на 20,9% за месяц18:40Сын экс-депутата Шингаркина и его подруга найдены мертвыми17:41Летевшего в Ставрополь на чужом месте пассажира забрали в полицию17:41Порошенко подписал закон, который разрешает «Укроборонпрому» не отдавать долги Российской Федерации17:23Эдуарда Успенского похоронили на Троекуровском кладбище17:02Президент Utair предупредил об убытке по итогам года16:39В последующем году в Крым из Перми можно будет добраться на поезде16:19Путин приехал на свадьбу главы МИД Австрии15:57Лукашенко сменил «верхушку» правительства и министров14:41Главу ФОМС Дагестана задержали за мошенничество на 210 млн рублей14:21Умер бывший генеральный секретарь ООН Кофи Аннан14:00Экс-генсек ООН Кофи Аннан умер в возрасте 80 лет13:42В Крыму карты Visa и MasterCard окончательно заменит «Мир»13:21Задержанного главу ФОМС Дагестана подозревают в хищении более 210 миллионов рублей12:57Украинская чиновница призвала отключить в стране горячую воду12:21Евгений Бень: Что меньшее из зол для Афганистана?12:02Власти Украины сделали громкое объявление о прекращении централизованной подачи горячей воды12:00«Чтоб жизнь раем не казалась». СМИ назвали украинские поезда металлоломом12:00