A szentpétervári tudósok kifejlesztettek egy matematikai modellt a hő terjedése során az ultra tiszta kristályokban zajló folyamatokról. Ez megnyitja a kilátásokat új anyagok létrehozására, amelyeket különféle berendezések hűtőkörében használnak fel. Erről beszélték a Continuum Mechanics és a Termodinamika magazin oldalain. A kutatást az Orosz Tudományos Alapítvány (RSF) támogatta.
Az anyagok belső szerkezetük miatt hőt vezethetnek. Bármely szilárd anyag atomjai az abszolút nullán kívüli hőmérsékleten egyensúlyi helyzetük körül rezegnek. Az ilyen mozgás terjedhet az űrben egyik atomról a másikra. Annak érdekében, hogy kényelmesebben leírhassák a rezgési energia átadásának folyamatait, a tudósok bevezettek egy új kvasziprészecskét (egy részecskét, amelyet egyidejűleg hullámnak lehet tekinteni) - fonont.
Ehhez a fononok tulajdonságait használják a szilárdtest fizikában. A hőmérséklet emelkedésével a kristályrács atomi rezgéseinek amplitúdója növekszik. A fűtött atomok több fonont bocsátanak ki. A fononok a kristályrácson keresztül kerülnek át, és az atomok az anyag egészében nagyobb amplitúdóval rezegnek. A kristályrács atomjainak rezgési amplitúdójának növekedése megegyezik a szilárd anyag hőmérsékletének növekedésével.
A hőátadás meglévő elmélete kijelenti, hogy a fotonok szilárd anyagokban hordozzák át a hőenergiát - analógia útján azzal, hogy a fotonok hogyan továbbítják a fényenergiát. Ez az elmélet azt is figyelembe veszi, hogy a fononok szétszóródhatnak a kristályrács hibákkal való ütközések miatt. Szétoszlása során a fonon megváltoztathatja a mozgás irányát, ezáltal megnehezítve a hőátadás folyamatát. Ez az elmélet jól leírja a hő terjedését olyan testekben, amelyek nagyszámú hibát tartalmaznak, de nem működik jól az ultra-tiszta kristályok esetében (valódi kristályok, amelyekben a hibák száma minimális).
Nagy Péter SPbPU-jának tudósai matematikai modellt készítettek, amely leírja a hőenergia szilárd anyagban való átadását az általuk kifejlesztett ballisztikus hővezetőképesség elmélete alapján. Ez az elmélet a hibamentes kristályokat olyan részecskék gyűjteményének tekinti, amelyeket kötések kötnek össze, amelyek nyújthatók és összehúzódhatnak. A modell alkalmazásával végzett számítások során a tudósok rájöttek, hogy az ultra tiszta kristályokban a hőátadás a fononok szabad terjedésével jár. A jelenlegi hőátadási elméletek ebben az esetben nem alkalmazhatók.
A hőhatás terjedése keresztirányú rezgéseket végrehajtó négyzetes rácsban / Anton Krivtsov / indikátor.ru
A kutatók még nem fejezték be a ballisztikus hővezetőképesség elméletének megalkotását, és jelenlegi munkájukban leírták az alapjául szolgáló matematikai készüléket. A szuper tiszta kristály példájával a tudósok kimutatták, hogy az általuk létrehozott modell jól leírja a fizikai rendszer állítólagos tulajdonságait, ám bizonyos szempontból ellentmond a klasszikus elméletnek. Ha a tudósoknak sikerül bebizonyítani, hogy az általuk létrehozott matematikai készülék jobban leírja a valóságban megfigyelt hatásokat, mint a létező modell, akkor a jövőben képes lesz helyettesíteni a klasszikus elméletet. Az SPbPU kutatói és a berlini műszaki egyetem kollégáival együtt már kísérletet készítenek az új elmélet előrejelzéseinek tesztelésére.
„Hamarosan elkészítjük a ballisztikus hőterjedés elméletét az ultra tiszta anyagokban. Az elmélet lehetővé fogja tenni a hőelvonás hatékony módszereinek kifejlesztését, az ultrahatékony anyagok egyedi termikus tulajdonságainak felhasználásával, amelyek már elérhetők a modern technológiák felhasználásával. Ez új lehetőségeket nyit meg a különféle berendezések hűtési körében felhasználható új anyagok létrehozására”- mondja a tanulmány egyik szerzője, az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja, a fizikai és matematikai tudományok doktora, Anton Krivtsov professzor.
Promóciós videó: