Ilmuwan St. Petersburg telah mengembangkan model matematika dari proses yang terjadi selama penyebaran panas dalam kristal ultra murni. Ini akan membuka prospek untuk pembuatan material baru untuk digunakan dalam sirkuit pendingin berbagai peralatan. Mereka membicarakan hal ini di halaman majalah Continuum Mechanics and Thermodynamics. Penelitian ini didukung oleh dana dari Russian Science Foundation (RSF).
Bahan dapat menghantarkan panas karena struktur internalnya. Atom-atom dalam materi padat pada suhu selain nol mutlak bergetar tentang posisi kesetimbangannya. Gerakan seperti itu dapat merambat di ruang angkasa dari satu atom ke atom lainnya. Untuk lebih mudah menggambarkan proses transfer energi getaran, para ilmuwan telah memperkenalkan kuasipartikel baru (partikel yang dapat dianggap secara bersamaan sebagai gelombang) - fonon.
Untuk ini, properti fonon digunakan dalam fisika keadaan padat. Saat suhu naik, amplitudo getaran atom di kisi kristal meningkat. Atom yang dipanaskan mengeluarkan lebih banyak fonon. Fonon ditransfer melalui kisi kristal, dan atom di seluruh materi mulai bergetar dengan amplitudo yang lebih besar. Peningkatan amplitudo getaran atom pada kisi kristal berhubungan dengan peningkatan suhu padatan.
Teori perpindahan panas yang ada menyatakan bahwa fonon mentransfer energi panas dalam padatan - dengan analogi bagaimana foton mentransfer energi cahaya. Juga, teori ini memperhitungkan bahwa fonon dapat tersebar karena tabrakan dengan cacat kisi kristal. Selama hamburannya, fonon dapat mengubah arah gerak, sehingga mempersulit proses perpindahan panas. Teori ini menjelaskan dengan baik perambatan panas dalam benda yang mengandung sejumlah besar cacat, tetapi tidak bekerja dengan baik dalam kasus kristal ultra murni (kristal nyata, jumlah cacat minimal).
Ilmuwan dari Peter the Great's SPbPU telah menciptakan model matematis yang menggambarkan transfer energi termal dalam padatan berdasarkan teori konduktivitas termal balistik yang mereka kembangkan. Teori ini menganggap kristal bebas cacat sebagai kumpulan partikel yang dihubungkan oleh ikatan yang dapat meregang dan berkontraksi. Saat melakukan penghitungan menggunakan model ini, para ilmuwan menemukan bahwa perpindahan panas dalam kristal ultra murni dikaitkan dengan propagasi bebas fonon. Teori perpindahan panas yang ada tidak dapat diterapkan dalam kasus ini.
Propagasi gangguan termal dalam kisi persegi yang melakukan getaran melintang / Anton Krivtsov / indicator.ru
Para peneliti belum menyelesaikan pembuatan teori konduktivitas termal balistik, dan dalam pekerjaan mereka saat ini, mereka mendeskripsikan peralatan matematika yang mendasari teori tersebut. Dengan menggunakan contoh kristal super murni, para ilmuwan telah menunjukkan bahwa model yang mereka buat menggambarkan dengan baik sifat-sifat yang diduga dari sistem fisik, tetapi dalam beberapa aspek bertentangan dengan teori klasik. Jika para ilmuwan berhasil menunjukkan bahwa alat matematika yang mereka ciptakan mampu mendeskripsikan efek-efek yang diamati dalam kenyataan dengan lebih baik daripada model yang ada, maka di masa mendatang akan mampu menggantikan teori klasik. Peneliti SPbPU, bersama dengan rekan dari Berlin Technical University, sedang mempersiapkan eksperimen yang akan menguji prediksi teori baru tersebut.
“Sebentar lagi kami akan membuat teori perambatan panas balistik dalam material ultra murni. Teori ini akan memungkinkan pengembangan metode penghilangan panas yang efisien dengan menggunakan sifat termal unik dari bahan ultra murni, yang sudah mungkin diperoleh dengan menggunakan teknologi modern. Ini akan membuka prospek untuk pembuatan material baru untuk digunakan dalam sirkuit pendingin berbagai peralatan,”kata salah satu penulis studi tersebut, Anggota Terkait Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika, Profesor Anton Krivtsov.
Video promosi:
