Peterburi teadlased on välja töötanud matemaatilise mudeli protsessidest, mis toimuvad kuumuse levimisel ülipuhtates kristallides. See avab väljavaate uute materjalide loomiseks, mida saaks kasutada mitmesuguste seadmete jahutusahelates. Nad rääkisid sellest ajakirja Continuum Mechanics ja Termodünaamika lehekülgedel. Teadustööd toetas Vene Teadusfondi (RSF) toetus.
Materjalid võivad oma sisemise struktuuri tõttu soojust juhtida. Mis tahes tahke aine aatomid temperatuuril, mis ei ole absoluutne null, vibreerivad umbes nende tasakaalupositsiooni. Selline liikumine võib levida ruumis ühest aatomist teise. Vibratsioonienergia ülekandeprotsesside mugavamaks kirjeldamiseks on teadlased kasutusele võtnud uue kvaasiosakese (osakese, mida võib üheaegselt pidada laineks) - fononi.
Selleks kasutatakse tahkisfüüsikas fononite omadusi. Temperatuuri tõustes suureneb kristallvõres aatomivibratsiooni amplituud. Kuumutatud aatomid eraldavad rohkem foone. Fononid kantakse läbi kristallvõre ja aatomid kogu materjalis hakkavad suurema amplituudiga vibreerima. Kristallvõre aatomite vibratsiooni amplituudi suurenemine vastab tahke aine temperatuuri tõusule.
Olemasolevas soojusülekande teoorias öeldakse, et footonid kannavad soojusenergiat üle tahketes ainetes - analoogia põhjal sellega, kuidas footonid edastavad valguse energiat. Samuti arvestab see teooria, et footonid võivad kristallvõredefektidega kokkupõrgete tõttu hajuda. Hajumise ajal võib foon muuta liikumissuunda, raskendades sellega soojusülekande protsessi. See teooria kirjeldab hästi soojuse levikut kehades, mis sisaldavad suurt hulka defekte, kuid ülipuhaste kristallide korral (päriskristallid, milles defektide arv on minimaalne) see hästi ei toimi.
Peeter Suure SPbPU teadlased on loonud matemaatilise mudeli, mis kirjeldab soojusenergia ülekandmist tahkistes nende väljatöötatava ballistilise soojusjuhtivuse teooria põhjal. See teooria peab defektivabu kristalle osakeste kogumiks, mis on ühendatud sidemetega, mis võivad venida ja kokku tõmbuda. Selle mudeli abil arvutusi tehes selgusid teadlased, et ultrapuhtates kristallides soojusülekanne on seotud foonide vaba levimisega. Olemasolevad soojusülekande teooriad pole sel juhul rakendatavad.
Termiliste häirete levik ristvibratsioone teostavas ruudukujulises võres / Anton Krivtsov / indikaator.ru
Teadlastel pole ballistilise soojusjuhtivuse teooria loomist veel lõpule viidud ja oma praeguses töös kirjeldasid nad selle aluseks olevat matemaatilist aparaati. Kasutades ülipuhta kristalli näidet, on teadlased näidanud, et nende loodud mudel kirjeldab hästi füüsilise süsteemi väidetavaid omadusi, kuid on mõnes aspektis vastuolus klassikalise teooriaga. Kui teadlastel õnnestub näidata, et nende loodud matemaatiline aparaat suudab kirjeldada tegelikkuses täheldatud mõjusid paremini kui olemasolev mudel, siis tulevikus suudab see asendada klassikalise teooria. SPbPU teadlased koos kolleegidega Berliini tehnikaülikoolist valmistuvad juba eksperimendiks, mis testib uue teooria ennustusi.
„Varsti loome teooria ballistilise soojuse levimisest ülipuhtates materjalides. Teooria võimaldab arendada tõhusaid soojuse eemaldamise meetodeid, kasutades ülipuhtade materjalide ainulaadseid soojusomadusi, mida on juba tänapäevase tehnoloogia abil võimalik saada. See avab väljavaate uute materjalide loomiseks, mida saaks kasutada mitmesuguste seadmete jahutusahelates, “ütleb uuringu üks autoritest, Venemaa Teaduste Akadeemia korrespondentliige, füüsikaliste ja matemaatikateaduste doktor, professor Anton Krivtsov.
Reklaamvideo:
