25 марта 2019, Понедельник, 00:51
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

19 июля 2018, 11:49

Ученые исследуют распространение тепла в сверхчистых кристаллах

Распространение теплового возмущения в квадратной решетке, совершающей поперечные колебания
Распространение теплового возмущения в квадратной решетке, совершающей поперечные колебания
Источник: Антон Кривцов

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.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.