Wissenschaftler aus St. Petersburg haben ein mathematisches Modell der Prozesse entwickelt, die während der Ausbreitung von Wärme in hochreinen Kristallen ablaufen. Dies eröffnet Perspektiven für die Schaffung neuer Materialien zur Verwendung in Kühlkreisläufen verschiedener Geräte. Sie sprachen darüber auf den Seiten des Magazins Continuum Mechanics and Thermodynamics. Die Forschung wurde durch ein Stipendium der Russian Science Foundation (RSF) unterstützt.
Materialien können aufgrund ihrer inneren Struktur Wärme leiten. Atome in festen Stoffen mit einer anderen Temperatur als dem absoluten Nullpunkt schwingen um ihre Gleichgewichtsposition. Eine solche Bewegung kann sich im Raum von einem Atom zum anderen ausbreiten. Um die Prozesse der Übertragung von Schwingungsenergie bequemer zu beschreiben, haben Wissenschaftler ein neues Quasiteilchen (ein Teilchen, das gleichzeitig als Welle betrachtet werden kann) eingeführt - ein Phonon.
Hierzu werden die Eigenschaften von Phononen in der Festkörperphysik genutzt. Mit steigender Temperatur nimmt die Amplitude der Atomschwingungen im Kristallgitter zu. Die erhitzten Atome emittieren mehr Phononen. Phononen werden durch das Kristallgitter übertragen und Atome im gesamten Material beginnen mit größerer Amplitude zu schwingen. Eine Zunahme der Schwingungsamplitude der Atome des Kristallgitters entspricht einer Zunahme der Temperatur des Feststoffs.
Die existierende Theorie der Wärmeübertragung besagt, dass Phononen Wärmeenergie in Festkörpern übertragen - in Analogie dazu, wie Photonen Lichtenergie übertragen. Diese Theorie berücksichtigt auch, dass Phononen aufgrund von Kollisionen mit Kristallgitterdefekten gestreut werden können. Während seiner Streuung kann das Phonon die Bewegungsrichtung ändern, wodurch der Prozess der Wärmeübertragung erschwert wird. Diese Theorie beschreibt die Ausbreitung von Wärme in Körpern mit einer großen Anzahl von Defekten gut, funktioniert jedoch bei hochreinen Kristallen (echte Kristalle, deren Anzahl von Defekten minimal ist) nicht gut.
Wissenschaftler der SPbPU von Peter dem Großen haben ein mathematisches Modell erstellt, das die Übertragung von Wärmeenergie in Festkörpern auf der Grundlage der von ihnen entwickelten Theorie der ballistischen Wärmeleitfähigkeit beschreibt. Diese Theorie betrachtet defektfreie Kristalle als eine Ansammlung von Partikeln, die durch Bindungen verbunden sind, die sich dehnen und zusammenziehen können. Bei Berechnungen mit diesem Modell stellten die Wissenschaftler fest, dass die Wärmeübertragung in hochreinen Kristallen mit der freien Ausbreitung von Phononen verbunden ist. Die bestehenden Theorien der Wärmeübertragung sind in diesem Fall nicht anwendbar.
Ausbreitung thermischer Störungen in einem quadratischen Gitter mit Quervibrationen / Anton Krivtsov / Indikator.ru
Die Forscher haben die Theorie der ballistischen Wärmeleitfähigkeit noch nicht abgeschlossen und in ihrer aktuellen Arbeit den ihr zugrunde liegenden mathematischen Apparat beschrieben. Am Beispiel eines hochreinen Kristalls haben Wissenschaftler gezeigt, dass das von ihnen erstellte Modell die angeblichen Eigenschaften eines physikalischen Systems gut beschreibt, aber in einigen Aspekten der klassischen Theorie widerspricht. Wenn es Wissenschaftlern gelingt zu zeigen, dass der von ihnen geschaffene mathematische Apparat die in der Realität beobachteten Effekte besser beschreiben kann als das bestehende Modell, kann er in Zukunft die klassische Theorie ersetzen. SPbPU-Forscher bereiten sich bereits zusammen mit Kollegen der Technischen Universität Berlin auf ein Experiment vor, mit dem die Vorhersagen der neuen Theorie getestet werden sollen.
„In Kürze werden wir eine Theorie der ballistischen Wärmeausbreitung in hochreinen Materialien erstellen. Die Theorie wird es ermöglichen, effiziente Methoden zur Wärmeabfuhr unter Verwendung der einzigartigen thermischen Eigenschaften hochreiner Materialien zu entwickeln, die mit modernen Technologien bereits erzielt werden können. Dies eröffnet Perspektiven für die Schaffung neuer Materialien für die Verwendung in Kühlkreisläufen verschiedener Geräte “, sagt einer der Autoren der Studie, korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, Professor Anton Krivtsov.
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