Российские ученые обнаружили новый физический парадокс

Аватар пользователя ДимаШи

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.

Авторство: 
Копия чужих материалов

Комментарии

Аватар пользователя ВладимирХ
ВладимирХ(8 лет 4 недели)

Имхо это наезд на второе начало термодинамики - переход тепловых колебаний в когерентные механические.

Аватар пользователя tokomak
tokomak(9 лет 1 месяц)

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.

Аватар пользователя bom100
bom100(9 лет 2 недели)

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.

Аватар пользователя Я - Гриша
Я - Гриша(7 лет 10 месяцев)

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.

Аватар пользователя bom100
bom100(9 лет 2 недели)

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.

Аватар пользователя Дохлик
Дохлик(6 лет 6 месяцев)

распространение тепла не волновой процесс

Ага ага.. smile3.gif это теплород 

Аватар пользователя Alex Arx
Alex Arx(5 лет 1 неделя)

 

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.)

Аватар пользователя ВладиславЛ
ВладиславЛ(2 года 3 месяца)

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.

 

 

Аватар пользователя Tuktarov
Tuktarov(8 лет 5 месяцев)

Надо бы подробностей, но в том виде, как представлено, это реально бомба. Это путь  использования низко потенциального тепла, которого у нашей цивилизации овердофига.

Аватар пользователя tokomak
tokomak(9 лет 1 месяц)

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.

Аватар пользователя Александр Мичуринский

Скорее, утверждение справедливости более общего принципа неубывания энтропии.

Если тепловые колебания рассматривать в совокупности с механическими.

Аватар пользователя roman.kuvaldin
roman.kuvaldin(9 лет 1 месяц)

Вообще-то насколько я помню - тепло это и есть мера кинетической энергии молекул.

Аватар пользователя Abram Gutang
Abram Gutang(5 лет 7 месяцев)

Добавлю, что у них, например, тепло может течь от холодного к горячему.

Аватар пользователя zelya
zelya(6 лет 3 недели)

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)?

Аватар пользователя Rinat Sergeev
Rinat Sergeev(4 года 1 неделя)

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.

Аватар пользователя Partisan
Partisan(8 лет 9 месяцев)

"Палец смерти" не той же природы случайно?

Аватар пользователя ДимаШи
ДимаШи(7 лет 10 месяцев)

Впечатляет..

Аватар пользователя Мрак
Мрак(4 года 11 месяцев)

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.

Аватар пользователя kuguar
kuguar(4 года 1 месяц)

Эффект Ранка-Хилша более-менее логически объясним, как разделение смеси газов с разной плотностью, другой вопрос что математически его еще никто не описал емнип.

Аватар пользователя Мрак
Мрак(4 года 11 месяцев)

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 ))

 

Аватар пользователя Dozor-SPb
Dozor-SPb(4 года 9 месяцев)

баллистический резонанс

Ну фсе... Щас партнеры возбудятся. Потому что термин "баллистический" для них означает лишь дрожь в коленках 

Аватар пользователя Я - Гриша
Я - Гриша(7 лет 10 месяцев)

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!

Аватар пользователя Дохлик
Дохлик(6 лет 6 месяцев)

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.

"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.smile14.gif 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.smile17.gif

Одним словом - самовозгорание. Ах нет, одного слова мало, просто самовоспламенение отложено посредством предшествующего накопления т.е. внешнего воздействия.

Аватар пользователя Я - Гриша
Я - Гриша(7 лет 10 месяцев)

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! smile3.gifsmile26.gifsmile42.gifsmile56.gifsmile57.gif

Аватар пользователя Дохлик
Дохлик(6 лет 6 месяцев)

Эх, не слышит вас сэр Исаак Ньютон.

Запорол бы на Трафальгарте..

Аватар пользователя sapphir1970
sapphir1970(9 лет 3 дня)

Ученые прекрасно объясняют любое явление псевдонаучным бредом.

Комментарий администрации:  
*** Уличен в дешевых манипуляциях - https://aftershock.news/?q=comment/6946314#comment-6946314 ***
Аватар пользователя Борода Берни
Борода Берни(2 года 4 месяца)

Ну так мы же это сейчас в США наблюдаем )

баллистический резонанс, при котором механические колебания могут возбуждаться исключительно за счет внутренних тепловых ресурсов системы.

Одна сверхчистая исключительная нация имеет разную температурную проницаемость кожи и потому там возбуждение электронов негров

распространяется с аномально высокой скоростью.  Это явление назвали баллистической теплопроводностью

Так что сейчас в США британские учОные просто проводят натурные испытания ) Как формулу выведут, так всё успокоится ) А наши решили на компьютере - и получается лучше.

Аватар пользователя Дохлик
Дохлик(6 лет 6 месяцев)

smile9.gif Стопудово!

Аватар пользователя vit7
vit7(3 года 11 месяцев)

 Эффект получил название баллистического резонанса.

Зачем так сложно писать . Уже давно показали.

Аватар пользователя А_Ланов
А_Ланов(3 года 2 месяца)

...тепло распространяется с аномально высокой скоростью. Это явление назвали баллистической теплопроводностью.

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...

Аватар пользователя mmx
mmx(5 лет 4 месяца)

А на практике что будет? Скрестят с пьезоэлементом и получат микрогенератор электричества?

Аватар пользователя Я - Гриша
Я - Гриша(7 лет 10 месяцев)

Вечный двигатель второго рода! Как заколеблется, то усё питать будеть. Прыг-скок, прыг-скок... smile159.gif

Аватар пользователя mmx
mmx(5 лет 4 месяца)

Да неее, просто питание для какого-нибудь скучного беспроводного датчика на заведомо теплом (например подшипник) устройстве.

Скрытый комментарий Повелитель Ботов (без обсуждения)
Аватар пользователя Повелитель Ботов

Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.

Комментарий администрации:  
*** Это легальный, годный бот ***
Аватар пользователя не дождетесь
не дождетесь(1 год 4 месяца)

вот и ответ на парадокс замерзания горячей воды в холодильнике

Аватар пользователя gerstall
gerstall(8 лет 11 месяцев)

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.

Аватар пользователя Галс
Галс(4 года 3 дня)

В реальности ещё вчера были созданы панели из бетона, которые без подвода внешней энергии могут или обогревать или охлаждать помещение.