St. Petersborg-forskere har udviklet en matematisk model af de processer, der forekommer under udbredelsen af varme i ultrapure krystaller. Dette åbner muligheder for oprettelse af nye materialer til brug i kølekredsløb for forskellige udstyr. De talte om dette på siderne i magasinet Continuum Mechanics og Thermodynamics. Forskningen blev støttet af et tilskud fra Russian Science Foundation (RSF).
Materialer kan lede varme på grund af deres indre struktur. Atomer i ethvert fast stof ved en anden temperatur end absolut nul vibrerer omkring deres ligevægtsposition. En sådan bevægelse kan forplantes i rummet fra et atom til et andet. For mere bekvemt at beskrive processerne med overførsel af vibrationsenergi har forskere introduceret en ny kvasipartikel (en partikel, der samtidig kan betragtes som en bølge) - en fonon.
Til dette bruges fonons egenskaber i faststoffysik. Når temperaturen stiger, øges amplituden af atomvibrationer i krystalgitteret. De opvarmede atomer udsender flere fononer. Phononer overføres gennem krystalgitteret, og atomer i hele materialet begynder at vibrere med større amplitude. En stigning i vibrationsamplitude af atomer i krystalgitteret svarer til en stigning i temperaturen på det faste stof.
Den eksisterende teori om varmeoverførsel siger, at fononer overfører termisk energi i faste stoffer - analogt med, hvordan fotoner overfører lysenergi. Denne teori tager også højde for, at fononer kan spredes på grund af kollisioner med krystalgitterdefekter. Under sin spredning kan fononet ændre bevægelsesretningen og derved komplicere processen med varmeoverførsel. Denne teori beskriver godt forplantningen af varme i legemer, der indeholder et stort antal defekter, men det fungerer ikke godt i tilfælde af ultrapure krystaller (ægte krystaller, hvor antallet af defekter er minimalt).
Forskere fra Peter den Store SPbPU har oprettet en matematisk model, der beskriver overførslen af termisk energi i faste stoffer på basis af teorien om ballistisk termisk ledningsevne, de udvikler. Denne teori betragter defekte frie krystaller som en samling af partikler, der er forbundet med bindinger, der kan strække sig og sammensætte sig. Ved udførelse af beregninger ved hjælp af denne model fandt forskere ud af, at varmeoverførsel i ultrapure krystaller er forbundet med den frie udbredelse af fononer. De eksisterende teorier om varmeoverførsel kan ikke anvendes i dette tilfælde.
Formering af termisk forstyrrelse i en firkantet gitter, der udfører tværgående vibrationer / Anton Krivtsov / indicator.ru
Forskere har endnu ikke afsluttet skabelsen af teorien om ballistisk termisk ledningsevne, og i deres nuværende arbejde beskrev de det matematiske apparat, der ligger til grund for det. Ved hjælp af eksemplet på en superkryst krystal har forskere vist, at modellen, de oprettede, godt beskriver de påståede egenskaber ved et fysisk system, men i nogle aspekter er i modstrid med den klassiske teori. Hvis videnskabsmænd lykkes med at vise, at det matematiske apparat, de har oprettet, er i stand til at beskrive virkningerne, der observeres i virkeligheden bedre end den eksisterende model, vil det i fremtiden kunne erstatte den klassiske teori. SPbPU-forskere sammen med kolleger fra Berlin tekniske universitet forbereder sig allerede på et eksperiment, der skal teste forudsigelserne for den nye teori.
”Vi skaber snart en teori om ballistisk varmeforplantning i ultrapure materialer. Teorien giver mulighed for udvikling af effektive metoder til fjernelse af varme ved hjælp af de unikke termiske egenskaber ved ultrapure materialer, som allerede er muligt at opnå ved hjælp af moderne teknologier. Dette vil åbne muligheder for oprettelse af nye materialer til brug i kølekredsløb af forskellige udstyr,”siger en af forfatterne til undersøgelsen, korresponderende medlem af det russiske videnskabsakademi, doktor i fysiske og matematiske videnskaber, professor Anton Krivtsov.
Salgsfremmende video: