Распространение тепла больше похоже на течение жидкости

Гидродинамическое распространение тепла может возникать в материалах для электронных устройств следующего поколения, где перегрев является основным ограничивающим фактором для миниатюризации и достижения энергоэффективности

Хорошо известное уравнение теплопроводности Фурье, введенное в 1822 году, описывает, как температура изменяется в пространстве и времени, когда тепло проходит через материал. В целом, эта формула хорошо работает для описания теплопроводности макроскопических объектов, как правило, размером с миллиметр или больше, и при высоких температурах. Однако, она не может описать так называемые «гидродинамические тепловые явления».

К одному из таких явлений относится тепловой поток Пуазёйля, когда он становится похожим на течение вязкой жидкости в трубе, имеющей максимальные значения в ее центре и минимальные на границах. Другой, называемый «вторым звуком», имеет место быть, когда распространение тепла в кристалле сродни распространению звука в воздухе, когда между отдельными частями кристалла происходит быстрое колебание тепловых волн в горячую и холодную стороны, вместо того, чтобы демонстрировать плавное изменение температуры, наблюдаемое при обычном (диффузном) распространении тепла.

Уравнение Фурье не описывает ни одно из этих явлений. До сих пор исследователи могли анализировать эти явления только с помощью микроскопических моделей, но их сложность и высокая стоимость вычислений затрудняли как понимание, так и применение чего-либо, кроме случаев с самыми простыми формами.

В связи с этим, исследователи MARVEL взялись за разработку новых уравнений вязкой теплоты и обобщили все физические знания, лежащие в основе теплопроводности, чтобы описать явления точными и легко решаемыми уравнениями. Это вводит новый базовый исследовательский инструмент для разработки электронных устройств, особенно тех, которые используют графит, графен или другие низкоразмерные или слоистые материалы, где гидродинамические явления теперь считаются преобладающими.

Проделанная работа оказалась особенно своевременной. Хотя эти тепловые гидродинамические явления наблюдались с 1960-х годов, они отмечались только при криогенных температурах (около -260 °C) и поэтому считались несущественными для повседневных применений.

Эти убеждения внезапно изменились в марте прошлого года с публикацией в Physical Review X, когда было обнаружено распространение тепла второго звука (или волнообразного распространения) в графите - многообещающем материале для электроники следующего поколения, используемом в нескольких технических устройствах, при рекордной температуре -170 °С.

Новая формула, представленная в статье «Обобщение закона Фурье в уравнениях вязкой теплоты», https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.011019, дает результаты для графита, которые полностью согласуются с экспериментами, а также предсказывает, что это гидродинамическое распространение тепла может наблюдаться даже при комнатной температуре. Этот прогноз ожидает экспериментального подтверждения, которое установило бы новый рекорд максимальной температуры, при которой наблюдается гидродинамический теплообмен.

Гидродинамическое распространение тепла может возникать в материалах для электронных устройств следующего поколения, где перегрев является основным ограничивающим фактором для миниатюризации и достижения энергоэффективности.

Знание того, как обращаться с теплом, генерируемым в этих устройствах, имеет решающее значение для понимания того, как максимизировать их эффективность, или даже предсказать, будут ли они работать или просто расплавятся из-за перегрева.

В документе дается новое и оригинальное понимание теорий транспорта, а также прокладывается путь к пониманию эффектов, зависящих от формы и размера, например, в электронных устройствах нового поколения и так называемых «фононных» («фононы» - атомные колебания в твердом теле) устройствах.

Наконец, эту новую формулу можно адаптировать для описания вязких явлений, связанных с электричеством, обнаруженных Филиппом Моллом в 2017 году.

Источник: NCCR MARVEL