Cientistas de São Petersburgo desenvolveram um modelo matemático dos processos que ocorrem durante a propagação de calor em cristais ultrapuros. Isso abrirá perspectivas para a criação de novos materiais para utilização em circuitos de refrigeração de diversos equipamentos. Eles falaram sobre isso nas páginas da revista Continuum Mechanics and Thermodynamics. A pesquisa foi apoiada por uma bolsa da Russian Science Foundation (RSF).
Os materiais podem conduzir calor devido à sua estrutura interna. Os átomos em qualquer matéria sólida a uma temperatura diferente do zero absoluto vibram em torno de sua posição de equilíbrio. Esse movimento pode se propagar no espaço de um átomo para outro. A fim de descrever de forma mais conveniente os processos de transferência de energia vibracional, os cientistas introduziram uma nova quase-partícula (uma partícula que pode ser considerada simultaneamente como uma onda) - um fônon.
Para isso, as propriedades dos fônons são utilizadas na física do estado sólido. Conforme a temperatura aumenta, a amplitude das vibrações atômicas na rede cristalina aumenta. Os átomos aquecidos emitem mais fônons. Fonons são transferidos através da rede cristalina e átomos por todo o material começam a vibrar com maior amplitude. Um aumento na amplitude de vibração dos átomos da rede cristalina corresponde a um aumento na temperatura do sólido.
A teoria existente de transferência de calor afirma que os fônons transferem energia térmica em sólidos - por analogia com a forma como os fótons transferem energia luminosa. Além disso, esta teoria leva em consideração que os fônons podem ser espalhados devido a colisões com defeitos da rede cristalina. Durante seu espalhamento, o fônon pode mudar a direção do movimento, complicando assim o processo de transferência de calor. Esta teoria descreve bem a propagação de calor em corpos contendo um grande número de defeitos, mas não funciona bem no caso de cristais ultrapuros (cristais reais, cujo número de defeitos é mínimo).
Cientistas da SPbPU de Pedro, o Grande, criaram um modelo matemático que descreve a transferência de energia térmica em sólidos com base na teoria da condutividade térmica balística que estão desenvolvendo. Essa teoria considera os cristais sem defeitos como uma coleção de partículas conectadas por ligações que podem se esticar e se contrair. Ao fazer cálculos com esse modelo, os cientistas descobriram que a transferência de calor em cristais ultrapuros está associada à propagação livre de fônons. As teorias existentes de transferência de calor são inaplicáveis neste caso.
Propagação de distúrbios térmicos em uma rede quadrada realizando vibrações transversais / Anton Krivtsov / indicator.ru
Os pesquisadores ainda não concluíram a criação da teoria da condutividade térmica balística e, em seu trabalho atual, descreveram o aparato matemático que está por trás dela. Usando o exemplo de um cristal superpuro, os cientistas mostraram que o modelo que criaram descreve bem as propriedades alegadas de um sistema físico, mas em alguns aspectos contradiz a teoria clássica. Se os cientistas conseguirem mostrar que o aparato matemático que criaram é capaz de descrever os efeitos observados na realidade melhor do que o modelo existente, então, no futuro, ele será capaz de substituir a teoria clássica. Pesquisadores da SPbPU, junto com colegas da Universidade Técnica de Berlim, já se preparam para um experimento que testará as previsões da nova teoria.
“Em breve iremos criar uma teoria de propagação de calor balístico em materiais ultrapuros. A teoria possibilitará o desenvolvimento de métodos eficientes de remoção de calor utilizando as propriedades térmicas únicas de materiais ultrapuros, que já são possíveis de serem obtidos com tecnologias modernas. Isso abrirá perspectivas para a criação de novos materiais para uso em circuitos de resfriamento de vários equipamentos”, - diz um dos autores do estudo, Membro Correspondente da Academia Russa de Ciências, Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas, Professor Anton Krivtsov.
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