Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) обнаружили и теоретически объяснили новый физический эффект, суть которого заключается в возможности роста амплитуды механических колебаний объекта без внешнего воздействия. Кроме того, они предложили свой вариант устранения парадокса Ферми — Паста — Улама — Цингу.
В СПбПУ это объяснили на простом примере: чтобы раскачать качели, их нужно постоянно подталкивать. Считалось, что без постоянного внешнего воздействия добиться колебательного резонанса невозможно.
Однако научная группа Высшей школы теоретической механики Института прикладной математики и механики СПбПУ обнаружила новое физическое явление — баллистический резонанс, при котором механические колебания могут возбуждаться исключительно за счет внутренних тепловых ресурсов системы.
Ключом к пониманию стали экспериментальные работы научных групп по всему миру, показавшие, что в сверхчистых кристаллических материалах на нано- и микроуровне тепло распространяется с аномально высокой скоростью. Это явление назвали баллистической теплопроводностью.
Научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Антона Кривцова вывела уравнения, описывающие это явление, и существенно продвинулась в понимании тепловых процессов на микромасштабах. В исследовании, опубликованном в научном журнале Physical Review E, ученые рассмотрели поведение систем при начальном периодическом распределении температуры в кристаллическом материале.
Обнаруженное явление заключается в том, что процесс выравнивания тепла приводит к возникновению механических колебаний с возрастающей со временем амплитудой. Эффект получил название баллистического резонанса.
"Последние несколько лет наша научная группа занимается исследованием механизмов распространения тепла на микро- и наноуровне. В процессе работы мы обнаружили, что на этих уровнях тепло распространяется совсем не так, как мы ожидали, — например, тепло может течь от холодного к горячему. Такое поведение наносистем приводит к новым физическим эффектам, таким как баллистический резонанс", — отметил доцент Высшей школы теоретической механики СПбПУ Виталий Кузькин. По его словам, в дальнейшем ученые хотят понять, как это можно использовать в таких перспективных материалах, как, например, графен.
Эти открытия также дают возможность разрешения парадокса Ферми — Паста — Улама — Цингу. В 1953 году научная группа, возглавляемая Энрико Ферми, провела ставший впоследствии знаменитым компьютерный эксперимент. Ученые рассмотрели простейшую модель колебаний цепочки частиц, соединенных пружинками. Предполагалось, что механическое движение постепенно затухнет, превратившись в хаотические тепловые колебания, однако результат оказался неожиданным: колебания в цепочке сначала почти затухли, но затем возродились и практически достигли начального уровня. Система пришла в начальное состояние, и цикл снова повторился. Причины появления механических колебаний из тепловых в рассмотренной системе уже на протяжении десятков лет являются предметом научных исследований и споров.
Амплитуда механических колебаний, вызванная баллистическим резонансом, не возрастает бесконечно, а достигает максимума, после чего начинает постепенно уменьшаться до нуля. Со временем механические колебания затухают полностью, а температура выравнивается вдоль всего кристалла. Этот процесс называется термализацией. Для механиков и физиков данный эксперимент важен по той причине, что цепочка частиц, соединенных пружинками, является хорошей моделью кристаллического материала.
Исследователи Высшей школы теоретической механики СПбПУ показали, что переход механической энергии в тепло происходит необратимо, если рассматривать процесс при конечной температуре.
"Обычно не учитывается, что в реальных материалах, наряду с механическими, присутствует тепловое движение, энергия которого на несколько порядков выше. Мы воссоздали эти условия в компьютерном эксперименте и показали, что именно тепловое движение гасит механическую волну и препятствует возрождению колебаний", — пояснил директор Высшей школы теоретической механики СПбПУ, член-корреспондент РАН Антон Кривцов.
По мнению экспертов, теоретический подход, предложенный учеными СПбПУ, позволяет по-новому взглянуть на то, что понимается под теплом и температурой, и может иметь основополагающее значение при разработке наноэлектронных устройств будущего.
Комментарии
Имхо это наезд на второе начало термодинамики - переход тепловых колебаний в когерентные механические.
Нет, какой там. Написано же: "процесс выравнивания тепла приводит к возникновению механических колебаний". А если начинается с "выравнивания" - значит одна часть тела нагрета больше другой, а это простейшая тепловая машина, где есть нагреватель и холодильник, и в процессе переноса энергии от нагревателя к холодильнику - можно "часть потока" превратить в механическую энергию. Только тут не спец изделие (типа двигатель) созданное инженером, а просто кучка молекул (например в кристалле)... которые в процессе перераспределения тепла совершают колебания. Ну а тепло - это же и есть колебания молекул, так что чему тут удивляться - здесь энтропия тоже только растёт со временем, как и всегда, как и везде.
Состояние с низкой энтропией (слева горячо, справа холодно) переходит в состояние с более высокой энтропией (и слева и справа уже почти одинаковая температура, а посреди колеблющиеся молекулы), и ещё, со временем всё это переходит в состояние с максимальной для себя энтропией - везде одинаковая температура и отсутствие упорядоченных (механических) колебаний.
Обратили внимание на то, что речь идет о аномально высоких скоростях распространения тепла в сверхчистых материалах. В таких условиях можно говорить уже не о колебаниях, а о тепловой волне (если нагреть коротким импульсом). А волна что может делать ? Отражаться от стенки. Дальше что - взаимодействовать с первичной волной. Так что в определенных условиях - что возникает (при правильном подборе длины волны, размеров образца, скважности импульса теплового итд) - правильно интерферренция и резонанс. Это своего рода - лазер, только тепловая волна не выходит за пределы образца.
Стоячая волна не приводит к передаче энергии. Частота тепла зависит от температуры а не от отражений в кристалле. Отражений не будет, распространение тепла не волновой процесс. Это вам не мгновенное поглощение кванта электроном с последующим мгновенным излучением при переходе на более низкий энергетический уровень. Не применяйте квантовую механику к термодинамике, сие есть разные отделы физической химии.
Тепловое излучение (ИК диапазон), свет - это электромагнитная волна. Колебательное движение и волновое - могут при определенных обстоятельствах (условиях) переходить одно в другое. И свойства, присущие квантовомеханическим объектам - не всегда присущи только сверхмалым объектам. В рамках создания квантовых компьютеров создаются вполне макроскопические объекты, обладающие квантовомеханическими свойствами. Смотрите на мир широко открыв глаза :-) Для появления интерференционных эффектов достаточно того чтобы волна в однородной среде (а это обеспечивается сверхчистыми материалами) была достаточно когерентной. Я говорю о волне в ИК диапазоне. И я ничего не утверждаю. Это лишь гипотеза.
Ага ага..
это теплород
Добавлю только, что инфракрасное излучение тоже вызывает в теле ощущение тепла. Что как бы наводит на размышления об единой природе тепла и электромагнитизма.
Температура газа прямо пропорциональна скорости движения молекул. Температура твёрдого тела прямо пропорциональна частоте колебаний... чего? Атомов? Пусть читатели подумают над этим.
Атом поглощает фотон, возбуждается и переизлучает его, что воспринимается нашей рукой как тепло. Оказывается, вокруг атомного ядра крутятся электроны, которые и возбуждают в окружающем поле колебания, которые мы называем фотонами.
Да, сначала электрон переходит на более высокую орбиталь, после чего в окружающем его поле начинают возбуждаться колебания, а потом возвращается на прежнюю орбиталь, и колебания прекращаются. Почему прекращаются? Да-а, не забивайте себе голову...
Кароч, что здесь самое главное? Движение! Есть движение, - есть тепло. Нет движения, - нет тепла. Продвинутые пользователи скажут, что движение бывает ускоренным и неускоренным. Не забивайте себе голову, - все эти тонкости только для ботаников и прочих яйцеголовых.
А может ли атомное ядро возбуждать колебания? Может. Ядро поглощает гамма-фотон, возбуждается и переходит на более высокую орбиталь... ой, бр-р... то ись, ядро начинает пульсировать, возбуждая в окружающем поле колебания. Мы их называем гамма-фотонами.
Может ли тепло распространяться волнами и с какой скоростью? Да без проблем. Именно так оно и распространяется. А скорость может быть разная.)
Рад за однокашников и Alma Mater. Мои самые горячие поздравления!
"Это явление назвали баллистической теплопроводностью."
- не совсем удачный думается термин, в отличие от баллистических электронов в кристаллических решётках.
Скорее можно привести аналогию с данным (качели/колыбель Ньютона):
Роль связей механических - связи в кристаллической решётке. Передача энергии идёт через манипуляции с этими верёвочками - на деле положение атомов в пространстве - можно много чего делать без электричества.
В целом связано с убийствами физиков в конце 19 начале 20вв. Человечество было отброшено более чем на век. Законы сохранения не работают как нам в школе и ВУЗе преподавали. Как и эргодическая гипотеза НЕВЕРНА. Полнейшая чушь расходящаяся с экспериментальными работами ещё 19 века. А из неё много чего вытекает.
Например отсутствие необходимости в топливе если вам нужно топить помещение, подводить внутри или внешне тепло к тепловому двигателю или иное воздействие произвести.
Надо бы подробностей, но в том виде, как представлено, это реально бомба. Это путь использования низко потенциального тепла, которого у нашей цивилизации овердофига.
Да. Всякие такие "тонкие" эффекты нужно обязательно исследовать. И да, такого "низко потенциального тепла" действительно полно и везде, даже в самой природе, и если из него можно получить в микро-объёме колебания, то значит можно всегда иметь энергию для своих применений в микро-изделиях. Например малюсенькие медицинские импланты работающие на разнице температур внутри организма. Да тысячи применений. А если можно в большом изделии что-то сотворить - то точно "реальная бомба", КПД всех тепловых машин можно будет повысить.
Скорее, утверждение справедливости более общего принципа неубывания энтропии.
Если тепловые колебания рассматривать в совокупности с механическими.
Вообще-то насколько я помню - тепло это и есть мера кинетической энергии молекул.
Добавлю, что у них, например, тепло может течь от холодного к горячему.
нет, а почему бы и нет - те же тепловые машины с затратой энергии от более холодных объектов к более горячим, в каждом почти доме - холодильные установки и кондиционеры.
хоть механические, хоть термоэлектрические. здесь просто нашли ещё способ передачи, в чистых материалах, кристаллах (т.к. в аморфных и других, не цельнокристаллических, структурах потери на переде границ сред будут большие потери на отражение и сопротивления перехода)?
Нет там наезда - есть просто внутренне-неравномерно нагретый сложноустроенный кристалл. И пока он приходит к внутреннему равновесию - может совершаться работа.
Если бы был наезд - была бы новость совершенно другого масштаба. А так, это скорее - прикольный фокус в рамках известных законов.
"Палец смерти" не той же природы случайно?
Впечатляет..
Читал давно когда то, что при вихревом движении тоже идет перераспределение тепла от перифирии вихря к центру, или как то так. Может и там подобные явления. Шаубергер же создал движок, который амеры даже получив в железе так и не смогли ни запустить, ни понять как работает. Хотя там всего несколько железяк. Вероятно он научился превращать тепловую в механическую и чтоб оно самоподдерживалось.
Эффект Ранка-Хилша более-менее логически объясним, как разделение смеси газов с разной плотностью, другой вопрос что математически его еще никто не описал емнип.
Ради интереса залез в Гугл и таки да, похоже на трубку Ранка с обратным ходом. Но Ранк же раньше Шаубергера это открыл.
Этот рисунок конечно переведен как художнику видно, но по самому рисунку - устройства похожие и обратный ход стрелочками нарисован и перемычка даже есть. Только вот беда, для работы первого устройства надо сжатый воздух подавать ))
Ну фсе... Щас партнеры возбудятся. Потому что термин "баллистический" для них означает лишь дрожь в коленках
Да-да, ввод баллистической траектории в резонанс. Туды-сюды. Межконтинентальные баллистические ракеты уже падают с небес на свои пусковые установки. Ой, шизофрения. Гевалт, на шо народные деньги идуть!
"без внешнего воздействия" . А какая среда создаёт обратную волну, да ещё такую, чтобы она приходила в точку резонанса в фазе? От чего отталкивается волна? Ведь должен же быть рубеж, граница объекта.
А если есть граница, то внешнее воздействие уже состоялось ранее. Если нет обратной волны, то энергия не возвращается и значит нет резонанса. Ну хорошо, имеем безграничную среду, тогда нужна точка (центр) начала колебаний или их множество, это как примесь в пространстве пара для возникновения капель. Если есть примесь, то внешнее влияние уже де факто. И не важно, что нет синфазной подкачки иной энергии. И ещё. На сколько чист эксперимент? Действительно ли устранены любые внешние волны? Космические частицы, гравитация и т.п., может быть некий симбиоз..
Похоже на то, как рассказывал Аркадий Райкин ".. изучают что-то там в носу..".
Хотя.., идея мне нравится. Это как фантастика, как замашка на доказательство возникновения Вселенной без взрыва, а просто как возникновение капель в пучности колебания энергии. И конечно доказательство присутствия Высшего Духа.
Одним словом - самовозгорание. Ах нет, одного слова мало, просто самовоспламенение отложено посредством предшествующего накопления т.е. внешнего воздействия.
Анафема! Отказ от основ квантовой механики и переход на великое учение тов. Сталина о поганой классовой сущности всяких там теорий относительности а также буржуазно-фашистских теорий квантовой физики! Ой, не частота энергетического воздействия определяет энергию света, а его интенсивность! Ой, школота не закончила даже элементарный курс физики в хорошей школе! Гевалт!
Эх, не слышит вас сэр Исаак Ньютон.
Запорол бы на Трафальгарте..
Ученые прекрасно объясняют любое явление псевдонаучным бредом.
Ну так мы же это сейчас в США наблюдаем )
Одна
сверхчистаяисключительная нация имеет разную температурную проницаемость кожи и потому там возбуждениеэлектроновнегровТак что сейчас в США британские учОные просто проводят натурные испытания ) Как формулу выведут, так всё успокоится ) А наши решили на компьютере - и получается лучше.
Зачем так сложно писать . Уже давно показали.
Очень много ненужной, на мой взгляд, путаницы в термодинамике, газовых законах и пр. возникает из-за сразу нескольких пониманий одного и того же физического явления - движения молекул. Температура, механическая энергия молекул, давление и скоростной напор (газа) это одно и то же явление движения молекул в совокупности с действием сил межмолекулярного взаимодействия (притяжения и отталкивания), определяемое единственным параметром - количеством механической энергии в единице геометрического объёма, [Дж/м3].
Например, скоростной напор в аэродинамике это кинетическая энергия со-направленного движения всех молекул газа, заключённых в единице объема. Температура - тоже самое, но разно-направленного движения (хаотичного). Давление это количество потенциальной энергии молекул стенок (растяжение-сжатие), возникающей под действием ударов молекул газа, заключенных, опять же, в единице объема:
давление Р = [Н/м2] = [(Н*м)/(м2*м)] = [Дж/м3}.
То есть, "оказывается", что Паскаль это таки Джоуль в единице объема.
Такое происходит от того, что во всех перечисленных случаях имеет место один-единственный ноуменальный фактор - энергия молекул (кинетическая и потенциальная). А столь большое количество "разнопониманий" этого фактора - и тепло, и давление, и скоростной напор - проистекает ввиду восприятия его сразу несколькими органами чувств с генерацией в Сознании сразу нескольких разных феноменов - ощущения тепла и механического воздействия. Поэтому нам кажется, что это совершенно разные физические факторы, отчего мы и исследуем тепло и давление именно как разные физические явления. Но тогда не должно быть и ничего удивительного в том, что МКТ (молекулярно-кинетическая теория газов) связывает между собой все эти "факторы" воедино через соотношение
РV/T=const,
, потому, что и Р, и Т это разные обозначения одного и того же фактора. В этом легко убедиться, если подставить в формулу истинные размерности указанных факторов (истинные - которые от физики, а не от "чувств-с"), то есть [Дж/м3]. После сокращений у вас останется всего лишь [м3], Константа оказывается банальным геометрическим объемом, просто в иной, "наведенной чувствами", единице измерения.
В этом плане все газовые "открытия" - Гей - Люссака, Бойля - Мариотта, Шарля по сути сродни открытиям, что в одном метре 1000 миллиметров, а в одном дециметре - 10 сантиметров. Они сродни "формулам" зависимости доллара от рубля и наоборот - и то, и другое суть деньги, просто в разных единицах измерения (с той лишь разницей, что в газовых законах "курс" стабильный (см. пост. Больцмана)).
Если вы увеличите концентрацию молекул газа вдвое, добавив к имеющемуся количеству молекул ещё столько же и с такой же средней скоростью хаотического их движения, вы этим среднюю скорость молекул не увеличите, она останется прежней. Однако термометр покажет вам вдвое большую температуру. Равно как и наоборот: увеличив скорость прежнего количества молекул в корень из двух раз, вы увидите увеличение показаний манометра вдвое, хотя газа больше не стало. В обоих случаях произошло удвоение энергии моелкул, содержащихся в единице объёма.
Поэтому и открытая "аномально высокая скорость распространения тепла" никакая не аномалия, а все то же механическое движение молекул, которое на этой "аномально быстрой" стадии представляет из себя не хаотическое, а направленное движение, что вполне естественно демонстрирует и во много раз более быстрый по сравнению с хаотичным движением перенос механической энергии. Только и всего. Аналог в аэродинамике: нагрев газа после его торможения (есть даже термин "температура торможения") - когда направленный поток газа останавливается препятствием, и вся кинетическая энергия его молекул со-направленного движения становится такой же по величине кинетической энергией, но уже движения хаотичного, которое наши "органы чуйств" воспринимают уже не как усилие, а как тепло. Только и всего...
А на практике что будет? Скрестят с пьезоэлементом и получат микрогенератор электричества?
Вечный двигатель второго рода! Как заколеблется, то усё питать будеть. Прыг-скок, прыг-скок...
Да неее, просто питание для какого-нибудь скучного беспроводного датчика на заведомо теплом (например подшипник) устройстве.
Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.
вот и ответ на парадокс замерзания горячей воды в холодильнике
Ребята - молодцы. Очень любопытное явление, спасибо, автор. Осталось придумать как его использовать. Видится на первый взгляд возможность дешево реализовать какие-то миниатюрные управляемые температурой (т.е. током) доводчики на уровне единиц и долей нанометров, что может пригодиться в микроэлектронике или оптике.
Непонятно только почему ребята не отказались от старой терминологии: тепло (оно же тепловое движение) — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, имея дело со сверхчистыми СТРУКТУРАМИ движение нельзя назвать случайным, это вроде как и не совсем тепло, тут скорее стоит провести параллель с неким эффектом стоячей волны в кабеле при передаче ЭМИ в антенну, например, с той лишь разницей, что нагревом кабеля эту стоячую волну не получишь - только наоборот, поэтому эффект паразитный.
В реальности ещё вчера были созданы панели из бетона, которые без подвода внешней энергии могут или обогревать или охлаждать помещение.