Los científicos de San Petersburgo han desarrollado un modelo matemático de los procesos que ocurren durante la propagación del calor en cristales ultrapuros. Esto abrirá perspectivas para la creación de nuevos materiales para su uso en circuitos de refrigeración de varios equipos. Hablaron de esto en las páginas de la revista Continuum Mechanics and Thermodynamics. La investigación fue apoyada por una subvención de la Russian Science Foundation (RSF).
Los materiales pueden conducir el calor debido a su estructura interna. Los átomos de cualquier materia sólida a una temperatura distinta del cero absoluto vibran alrededor de su posición de equilibrio. Tal movimiento puede propagarse en el espacio de un átomo a otro. Para describir de manera más conveniente los procesos de transferencia de energía vibratoria, los científicos han introducido una nueva cuasipartícula (una partícula que puede considerarse simultáneamente como una onda): un fonón.
Para ello, las propiedades de los fonones se utilizan en física del estado sólido. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la amplitud de las vibraciones atómicas en la red cristalina. Los átomos calentados emiten más fonones. Los fonones se transfieren a través de la red cristalina y los átomos de todo el material comienzan a vibrar con mayor amplitud. Un aumento en la amplitud de vibración de los átomos de la red cristalina corresponde a un aumento en la temperatura del sólido.
La teoría existente de la transferencia de calor establece que los fonones transfieren energía térmica en sólidos, por analogía con la forma en que los fotones transfieren energía luminosa. Además, esta teoría tiene en cuenta que los fonones pueden dispersarse debido a colisiones con defectos de la red cristalina. Durante su dispersión, el fonón puede cambiar la dirección del movimiento, complicando así el proceso de transferencia de calor. Esta teoría describe bien la propagación del calor en cuerpos que contienen un gran número de defectos, pero no funciona bien en el caso de cristales ultrapuros (cristales reales, el número de defectos en los que es mínimo).
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Los científicos de la SPbPU de Peter the Great han creado un modelo matemático que describe la transferencia de energía térmica en sólidos sobre la base de la teoría de la conductividad térmica balística que están desarrollando. Esta teoría considera los cristales sin defectos como una colección de partículas conectadas por enlaces que pueden estirarse y contraerse. Al realizar cálculos con este modelo, los científicos descubrieron que la transferencia de calor en cristales ultrapuros está asociada con la libre propagación de fonones. Las teorías existentes sobre la transferencia de calor son inaplicables en este caso.
Propagación de la perturbación térmica en una celosía cuadrada que realiza vibraciones transversales / Anton Krivtsov / indicator.ru
Los investigadores aún tienen que completar la creación de la teoría de la conductividad térmica balística, y en su trabajo actual describieron el aparato matemático que la sustenta. Usando el ejemplo de un cristal superpuro, los científicos han demostrado que el modelo que crearon describe bien las supuestas propiedades de un sistema físico, pero en algunos aspectos contradice la teoría clásica. Si los científicos logran demostrar que el aparato matemático que han creado es capaz de describir los efectos observados en la realidad mejor que el modelo existente, en el futuro podrá reemplazar la teoría clásica. Los investigadores de SPbPU, junto con colegas de la Universidad Técnica de Berlín, ya se están preparando para un experimento que probará las predicciones de la nueva teoría.
“Pronto crearemos una teoría de la propagación del calor balístico en materiales ultrapuros. La teoría permitirá desarrollar métodos eficientes de eliminación de calor utilizando las propiedades térmicas únicas de los materiales ultrapuros, que ya son posibles de obtener utilizando tecnologías modernas. Esto abrirá perspectivas para la creación de nuevos materiales para su uso en circuitos de refrigeración de varios equipos”, - dice uno de los autores del estudio, miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor Anton Krivtsov.
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