Sanktpēterburgas zinātnieki ir izstrādājuši procesu matemātisko modeli, kas notiek siltuma izplatīšanās laikā ultrapīros kristālos. Tas pavērs iespējas jaunu materiālu radīšanai izmantošanai dažādu iekārtu dzesēšanas ķēdēs. Viņi par to runāja žurnāla Continuum Mechanics un Termodinamika lappusēs. Pētījumu atbalstīja Krievijas zinātnes fonda (RSF) dotācija.
Materiāli var vadīt siltumu to iekšējās struktūras dēļ. Jebkurā cietā stāvoklī esošie atomi, kas nav absolūtā nulle, vibrē ap to līdzsvara stāvokli. Šāda kustība var izplatīties telpā no viena atoma uz otru. Lai ērtāk aprakstītu vibrācijas enerģijas pārnešanas procesus, zinātnieki ir ieviesuši jaunu kvazdaļiņu (daļiņu, kuru vienlaikus var uzskatīt par vilni) - fononu.
Šim nolūkam cietvielu fizikā tiek izmantotas fononu īpašības. Temperatūrai paaugstinoties, atomu vibrāciju amplitūda kristāla režģī palielinās. Karsētie atomi izstaro vairāk fononu. Fononi tiek pārnesti caur kristāla režģi, un atomi visā materiālā sāk vibrēt ar lielāku amplitūdu. Kristāla režģa atomu vibrācijas amplitūdas palielināšanās atbilst cietās vielas temperatūras paaugstinājumam.
Esošajā siltuma pārneses teorijā teikts, ka fononi nodod siltumenerģiju cietās daļās - pēc analoģijas ar to, kā fotoni nodod gaismas enerģiju. Arī šī teorija ņem vērā to, ka fononi var būt izkliedēti sadursmju ar kristāla režģa defektu dēļ. Izkliedes laikā fonons var mainīt kustības virzienu, tādējādi sarežģot siltuma pārneses procesu. Šī teorija labi raksturo siltuma izplatīšanos ķermeņos, kuros ir liels skaits defektu, taču tas nedarbojas labi, ja ir īpaši tīri kristāli (īstie kristāli, kuru defektu skaits ir minimāls).
Pētera Lielā SPbPU zinātnieki ir izveidojuši matemātisku modeli, kas apraksta siltumenerģijas pārnesi cietās vielās, pamatojoties uz viņu izstrādāto balistiskās siltumvadītspējas teoriju. Šī teorija uzskata kristālus bez defektiem par daļiņu kolekciju, kas savienota ar saitēm, kuras var izstiepties un sarauties. Veicot aprēķinus, izmantojot šo modeli, zinātnieki noskaidroja, ka siltuma pārnešana īpaši tīros kristālos ir saistīta ar brīvu fononu izplatīšanos. Šajā gadījumā esošās siltuma pārneses teorijas nav piemērojamas.
Termisko traucējumu izplatība kvadrātveida režģī, kas izpilda šķērsvirziena vibrācijas / Antons Krivtsovs / indikators.ru
Pētniekiem vēl nav pabeigta balistiskās siltumvadītspējas teorijas izveidošana, un savā pašreizējā darbā viņi aprakstīja matemātisko aparātu, kas ir tās pamatā. Izmantojot īpaši tīra kristāla piemēru, zinātnieki ir parādījuši, ka viņu izveidotais modelis labi raksturo iespējamās fiziskās sistēmas īpašības, taču dažos aspektos tas ir pretrunā ar klasisko teoriju. Ja zinātniekiem izdosies parādīt, ka viņu izveidotais matemātiskais aparāts spēj labāk nekā pašreizējais modelis aprakstīt patiesībā novērotos efektus, tad nākotnē tas spēs aizstāt klasisko teoriju. SPbPU pētnieki kopā ar kolēģiem no Berlīnes Tehniskās universitātes jau gatavojas eksperimentam, kurā pārbaudīs jaunās teorijas prognozes.
“Drīz mēs izveidosim teoriju par ballistisko siltuma izplatīšanos ultraattīros materiālos. Teorija ļaus attīstīt efektīvas siltuma noņemšanas metodes, izmantojot īpaši tīru materiālu unikālās termiskās īpašības, kuras jau ir iespējams iegūt, izmantojot modernās tehnoloģijas. Tas pavērs izredzes jaunu materiālu radīšanai izmantošanai dažādu iekārtu dzesēšanas ķēdēs,”saka viens no pētījuma autoriem, Krievijas Zinātņu akadēmijas korespondētājloceklis, fizikālo un matemātisko zinātņu doktors, profesors Antons Krivtsovs.
Reklāmas video: