Les scientifiques de Saint-Pétersbourg ont développé un modèle mathématique des processus se produisant lors de la propagation de la chaleur dans les cristaux ultrapurs. Cela ouvrira des perspectives pour la création de nouveaux matériaux destinés à être utilisés dans les circuits de refroidissement de divers équipements. Ils en ont parlé dans les pages du magazine Continuum Mechanics and Thermodynamics. La recherche a été financée par une subvention de la Russian Science Foundation (RSF).
Les matériaux peuvent conduire la chaleur en raison de leur structure interne. Les atomes de toute matière solide à une température autre que le zéro absolu vibrent autour de leur position d'équilibre. Un tel mouvement peut se propager dans l'espace d'un atome à un autre. Afin de décrire plus facilement les processus de transfert d'énergie vibratoire, les scientifiques ont introduit une nouvelle quasi-particule (une particule qui peut être considérée simultanément comme une onde) - un phonon.
Pour cela, les propriétés des phonons sont utilisées en physique du solide. À mesure que la température augmente, l'amplitude des vibrations atomiques dans le réseau cristallin augmente. Les atomes chauffés émettent plus de phonons. Les phonons sont transférés à travers le réseau cristallin et les atomes dans tout le matériau commencent à vibrer avec une plus grande amplitude. Une augmentation de l'amplitude de vibration des atomes du réseau cristallin correspond à une augmentation de la température du solide.
La théorie existante du transfert de chaleur stipule que les phonons transfèrent l'énergie thermique dans les solides - par analogie avec la façon dont les photons transfèrent l'énergie lumineuse. En outre, cette théorie prend en compte le fait que les phonons peuvent être diffusés en raison de collisions avec des défauts de réseau cristallin. Lors de sa diffusion, le phonon peut changer la direction du mouvement, compliquant ainsi le processus de transfert de chaleur. Cette théorie décrit bien la propagation de la chaleur dans des corps contenant un grand nombre de défauts, mais elle ne fonctionne pas bien dans le cas de cristaux ultrapurs (cristaux réels, dont le nombre de défauts est minime).
Des scientifiques du SPbPU de Pierre le Grand ont créé un modèle mathématique qui décrit le transfert d'énergie thermique dans les solides sur la base de la théorie de la conductivité thermique balistique qu'ils développent. Cette théorie considère les cristaux sans défaut comme un ensemble de particules reliées par des liaisons qui peuvent s'étirer et se contracter. Lors de la réalisation de calculs à l'aide d'un tel modèle, les scientifiques ont découvert que le transfert de chaleur dans les cristaux ultrapurs était associé à la libre propagation des phonons. Les théories existantes du transfert de chaleur sont inapplicables dans ce cas.
Propagation de la perturbation thermique dans un réseau carré effectuant des vibrations transversales / Anton Krivtsov / indicateur.ru
Les chercheurs n'ont pas encore achevé la création de la théorie de la conductivité thermique balistique et, dans leurs travaux actuels, ils ont décrit l'appareil mathématique qui la sous-tend. En utilisant l'exemple d'un cristal superpur, les scientifiques ont montré que le modèle qu'ils ont créé décrit bien les prétendues propriétés d'un système physique, mais contredit à certains égards la théorie classique. Si les scientifiques réussissent à montrer que l'appareil mathématique qu'ils ont créé est capable de mieux décrire les effets observés dans la réalité que le modèle existant, il pourra à l'avenir remplacer la théorie classique. Les chercheurs du SPbPU, avec des collègues de l'Université technique de Berlin, se préparent déjà à une expérience qui testera les prédictions de la nouvelle théorie.
«Bientôt, nous créerons une théorie de la propagation de la chaleur balistique dans les matériaux ultra purs. La théorie permettra le développement de méthodes efficaces d'évacuation de la chaleur en utilisant les propriétés thermiques uniques des matériaux ultrapures, qu'il est déjà possible d'obtenir en utilisant les technologies modernes. Cela ouvrira des perspectives pour la création de nouveaux matériaux à utiliser dans les circuits de refroidissement de divers équipements », explique l'un des auteurs de l'étude, membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie, docteur en sciences physiques et mathématiques, professeur Anton Krivtsov.
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