Oamenii de știință din Sankt Petersburg au dezvoltat un model matematic al proceselor care au loc în timpul propagării căldurii în cristale ultrapure. Aceasta va deschide perspective pentru crearea de noi materiale pentru utilizarea în circuitele de răcire a diferitelor echipamente. Au vorbit despre acest lucru în paginile revistei Continuum Mechanics and Thermodynamics. Cercetarea a fost susținută de o finanțare din partea Fundației Rusești a Științei (RSF).
Materialele pot conduce căldura datorită structurii interne. Atomii din orice materie solidă la o altă temperatură decât zero absolut vibrează în jurul poziției lor de echilibru. O astfel de mișcare se poate propaga în spațiu de la un atom la altul. Pentru a descrie mai convenabil procesele de transfer de energie vibrațională, oamenii de știință au introdus o nouă cvasiparticule (o particulă care poate fi considerată simultan ca o undă) - un fonon.
Pentru aceasta, proprietățile fononilor sunt utilizate în fizica stării solide. Pe măsură ce temperatura crește, amplitudinea vibrațiilor atomice din zăbrele de cristal crește. Atomii încălziți emit mai mulți fononi. Telefonii sunt transferați prin rețeaua de cristal și atomii din întregul material încep să vibreze cu o amplitudine mai mare. O creștere a amplitudinii de vibrație a atomilor rețelei de cristal corespunde unei creșteri a temperaturii solidului.
Teoria existentă a transferului de căldură afirmă că fononii transferă energia termică în solide - prin analogie cu modul în care fotonii transferă energia lumină. De asemenea, această teorie ține cont de faptul că fononii pot fi împrăștiați din cauza coliziunilor cu defectele de zăpadă de cristal. În timpul împrăștierii sale, fononul poate schimba direcția mișcării, complicând astfel procesul de transfer de căldură. Această teorie descrie bine propagarea căldurii în corpuri care conțin un număr mare de defecte, dar nu funcționează bine în cazul cristalelor ultrapure (cristale reale, numărul defectelor în care este minim).
Oamenii de știință de la SPbPU de la Petru cel Mare au creat un model matematic care descrie transferul de energie termică în solide pe baza teoriei conductivității termice balistice pe care o dezvoltă. Această teorie consideră cristalele fără defecte ca o colecție de particule conectate prin legături care se pot întinde și contracta. Atunci când efectuează calcule folosind acest model, oamenii de știință au aflat că transferul de căldură în cristale ultrapure este asociat cu propagarea liberă a fononilor. Teoriile existente despre transferul de căldură sunt aplicabile în acest caz.
Propagarea perturbației termice într-o grilă pătrată care efectuează vibrații transversale / Anton Krivtsov / indicator.ru
Cercetătorii au finalizat încă crearea teoriei conductivității termice balistice, iar în activitatea lor curentă au descris aparatul matematic care stă la baza acestuia. Folosind exemplul unui cristal superpur, oamenii de știință au arătat că modelul pe care l-au creat descrie bine pretinsele proprietăți ale unui sistem fizic, dar în unele aspecte contrazice teoria clasică. Dacă oamenii de știință reușesc să arate că aparatul matematic pe care l-au creat este capabil să descrie efectele observate în realitate mai bine decât modelul existent, atunci în viitor va putea înlocui teoria clasică. Cercetătorii SPbPU, împreună cu colegii de la Universitatea Tehnică din Berlin, se pregătesc deja pentru un experiment care va testa prognozele noii teorii.
„În curând vom crea o teorie a propagării de căldură balistică în materiale ultrapure. Teoria va face posibilă dezvoltarea unor metode eficiente de îndepărtare a căldurii folosind proprietățile termice unice ale materialelor ultrapure, care sunt deja posibile pentru a obține folosind tehnologii moderne. Acest lucru va deschide perspective pentru crearea de noi materiale pentru utilizarea în circuitele de răcire a diferitelor echipamente”, spune unul dintre autorii studiului, membru corespondent al Academiei Ruse de Științe, doctor în științe fizice și matematice, profesor Anton Krivtsov.
Video promotional:
