Якою буває швидкість тепла?

Якою буває швидкість тепла?
Неможливий сценарій: вчені спостерігали рух тепла на швидкості звуку

Райан Дункан, аспірант Массачусетського технологічного інституту, провів експеримент із звичайним графітом. Тим самим графітом з нашого звичайного олівця. В результаті виявив, що тепло, яке зазвичай розсіюється повільно, через графіт проходить зі швидкістю звуку. Це все одно, що поставити каструлю з водою на гарячу плиту, і замість того, щоб рахувати хвилини в очікуванні поки вода закипить, спостерігати, як вона закипіла відразу. Результати своєї роботи Райан Дункан опублікував в журналі Science.

Щоб переконатися в результатах, експеримент довелося повторити. Дослідник перевірив установку чотири рази і запустив експеримент знову… і влаштував собі гарну перерву. «Я спробував поспати, знаючи, що ще кілька годин не зможу визначити, чи був успішним експеримент чи ні. Але відключитися було досить важко», – згадує дослідник. Наступного ранку, коли задзвонив будильник, Райан Дункан прямо в піжамі побіг до комп’ютера і переглянув нові виміри. Результат був тим самим – тепло рухалося неймовірно швидко.

Це явище, відоме як «другий звук». Щоб зрозуміти, просто уявіть, як тепло переміщається по повітрю. Воно переноситься молекулами, які постійно стикаються між собою і розсіюють тепло у всіх напрямках: вперед, убік і навіть назад. Ця фундаментальна неефективність робить провідність тепла відносно повільною (променисте тепло, в порівнянні, рухається на швидкості світла у вигляді інфрачервоного випромінювання). Та ж повільність зберігається для тепла, яке рухається через тверде тіло. Тут фонони (пакети акустичної вібраційної енергії) переносять тепло подібно молекулам в повітрі, дозволяючи йому розсіюватися у всіх напрямках і повільно розпадатися. «Трохи схоже на те, якщо помістити краплю харчового барвника в воду і дати йому розтектися, – говорить Кейт Нельсон, радник Дункана в MIT. – Тобто воно рухається не по прямій від місця попадання». Але саме такий ефект Райан Дункан отримав з експерименту. У другому звуці зворотнє розсіювання фононів різко знизилось, в результаті тепло вистрілило вперед. Рух хвильовий. «Якщо ви перебуваєте в басейні і запускаєте від себе хвилю, вона від вас піде. Але для тепла це ненормальна поведінка».
 
Другий звук вперше був виявлений 75 років тому в рідкому гелії і згодом ще в трьох твердих тілах. «Всі ознаки вказували на те, що він обмежений невеликою кількістю матеріалів і буде проявлятися при дуже низьких температурах». Вчені думали, що зайшли в глухий кут, тому багато років ця область була без новин. Однак приблизно років п’ять тому значні поліпшення в чисельному моделюванні допомогли відродити цю область, і вчені визнали, що це явище може бути більш поширеним. Ганг Чен, інженер з Массачусетського технологічного інституту, наприклад, зміг передбачити, що другий звук може проявитися в графіті при досить м’яких температурах. Це пророцтво зацікавило Дункана, тому, в кінцевому підсумку, він і перевірив його і натрапив на дуже суперечливі результати.

По-перше, Райан Дункан відводив тепло в зразок графіту, використовуючи два схрещених лазерних променя для створення інтерференційної картини – чергуючи яскраві і темні області, які відповідають гребеням і западинам зустрічних світлових хвиль. Спочатку гребені нагрівали графіт, а западини залишалися прохолодними. Але як тільки Райан Дункан повинен був вимкнути лазери, картина повинна була почати повільно змінюватися, а тепло – перетікати з гарячих гребенів в холодні западини. Експеримент досяг би свого кінця, коли б весь зразок набув однорідної температури. Так зазвичай і відбувається. Але коли лазери перестали світитися, у графіту були інші плани: тепло продовжувало текти, поки гарячі гребені не стали холодніше, ніж западини. Начебто поверхня для варки стала крижаною в той момент, як ви її вимкнули, а не остигала поступово до температури навколишнього середовища. «Це дивно – тепло не повинно так робити». І вже точно при таких високих температурах не повинно так робити. Також експеримент Дункана дозволив встановити межу високої температури, при якій проявляється другий звук: близько 120 кельвінів – більш ніж в 10 разів вище, ніж в ході попередніх вимірювань.

Яке практичне застосування ці результати знайшли б в майбутньому? По-перше, маніпуляції з температурою, а не з вакуумним охолодженням, більш практичні. По-друге, графіт – цілком поширений матеріал. Ці дві властивості допоможуть інженерам подолати гостру проблему управління теплом в мікроелектроніці. Тільки уявіть, що тепло буде розсіюватися зі швидкістю звуку, дозволяючи матеріалами і пристроям остигати набагато швидше.

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*