¿Se pueden reescribir los libros de texto de física? Los científicos descubren una nueva forma de transferir calor

Tres formas de transferencia de calor

En las clases de física de secundaria y bachillerato estarán involucrados el sonido, la luz, la electricidad, la fuerza, el calor, etc. Entre ellas, cuando se habla de termodinámica, los profesores suelen decir que existen tres formas de transferencia de calor: conducción de calor, convección de calor y radiación de calor. Radiación térmica.

¿Cómo entender estos tres métodos?

En primer lugar, debemos saber que todo está hecho de partículas. Pero las partículas en sí no permanecen en su lugar, sino que se mueven.

Los científicos han descubierto que, en igualdad de condiciones, cuanto mayor es la temperatura, más intenso es el movimiento general de las moléculas de un objeto, y viceversa. Es decir, la energía cinética total de una molécula está relacionada con la temperatura. Los científicos describen la temperatura en términos de la energía cinética promedio de las moléculas. Cuanto mayor sea la energía cinética promedio de las moléculas, mayor será la temperatura y viceversa.

En términos generales, la energía térmica se transfiere de una temperatura alta a una temperatura baja. La esencia de la conducción de calor es la transferencia de energía cinética de una molécula a otra;

La convección térmica se refiere al movimiento macroscópico del fluido que provoca el desplazamiento relativo entre las distintas partes del fluido y las partes calientes y los fluidos fríos se mezclan entre sí, logrando así el proceso de transferencia de calor;

La radiación térmica se refiere a la transferencia de calor por objetos a través de la radiación de ondas electromagnéticas. La radiación solar es una radiación térmica típica.

Descubriremos que en el pasado el calor se transfería de una manera que podíamos observar macroscópicamente. Pero en este campo, hay un "fantasma" invisible que ha estado atormentando a los científicos. Si la transferencia de calor se va a lograr en el vacío, de acuerdo con los tres métodos anteriores, actualmente solo se pueden usar ondas electromagnéticas. Entonces, si no hay ondas electromagnéticas, ¿se puede lograr la transferencia de calor?

De hecho, los científicos han descubierto hace tiempo que a nanoescala, los componentes electrónicos que transportan dispositivos de circuitos integrados a gran escala transfieren un calor superior al de las hormonas teóricas. Entonces, ¿de dónde viene este calor superior al teórico?

Este problema no ha sido bien solucionado.

El cuarto tipo de transferencia de calor

Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el físico Zhang Xiang demostró experimentalmente que la transferencia de calor de fonones al vacío se produce en un entorno de vacío a nanoescala. Es un nuevo tipo de transferencia de calor. transferencia de calor. También publicaron artículos académicos relevantes en la revista Nature. Una cosa que hay que añadir aquí es que "fonón" es un nombre traducido. Su transmisión no requiere un medio y se realiza en estado de vacío. Entonces, ¿cómo confirmó esto el equipo de Zhang Xiang?

Para entender este proceso es necesario hablar de mecánica cuántica. En el marco de la mecánica cuántica, el vacío no está realmente vacío, y esto es curioso. Según la mecánica cuántica, sabemos que aunque no hay partículas reales en el vacío, sí existen partículas virtuales. Las partículas virtuales no aparecen solas, sino que aparecen en parejas, una positiva y otra negativa, y se aniquilarán en muy poco tiempo.

Aunque los pares de partículas virtuales se aniquilan rápidamente en un corto período de tiempo, son muy activas, apareciendo y desapareciendo constantemente, por lo que a esta escala, el vacío es muy activo.

Y en el proceso de constante aniquilación y creación, también estará la acción de la fuerza. De hecho, los científicos han demostrado esta fuerza con el tiempo.

Colocaron dos tableros en paralelo, lo suficientemente cerca, y habrá una atracción entre los dos tableros. Esta atracción en realidad es causada por partículas virtuales y, eventualmente, los dos tableros se atraerán entre sí. Los científicos también llaman a este fenómeno efecto Casimir.

El efecto Casimir nos permite comprender una verdad. La fuerza generada sobre partículas virtuales se puede conducir a través del vacío. Entonces, ¿es posible realizar la transferencia de calor de fonones al vacío en este proceso?

El equipo liderado por Zhang Xiang está intentando medir si hay transferencia de calor en este proceso. Colocaron dos películas de nitruro de silicio de 100 nanómetros de espesor en paralelo en el vacío y controlaron que un extremo de las dos películas se calentara y el otro se enfriara.

Luego descubrieron que a medida que la distancia entre las dos películas disminuía, las temperaturas de las películas convergían lentamente. Incluso si las dos películas comienzan con una diferencia de temperatura de 25 grados, a medida que las dos películas se acercan, las temperaturas convergerán gradualmente.

Es decir, en este proceso, la energía térmica se transfiere de una película con una temperatura más alta a una película con una temperatura más baja, lo que en realidad se logra mediante la transferencia de calor de fonones al vacío. Sin embargo, esta transferencia de calor es muy débil, menos del 4% de la transferencia de calor por radiación térmica. Esta es también la razón principal por la que este mecanismo de transferencia de calor es difícil de descubrir, pero es probable que sea el cuarto método de transferencia de calor además de los tres métodos de transferencia de calor.

Para poder reescribir los libros de texto de física existentes en el futuro es necesario que académicos relevantes de todo el mundo reproduzcan y confirmen todo el mecanismo y los experimentos.

¿Para qué sirve la transferencia de calor por fonones al vacío?

Creo que mucha gente también está pensando, incluso si se confirma todo el hecho, ¿qué pasará?

De hecho, todo el descubrimiento afectará profundamente nuestras vidas. Pongamos un ejemplo. Muchos instrumentos de precisión hoy en día han alcanzado el nivel nanométrico, especialmente los chips que han alcanzado unos 7 nanómetros. Sin embargo, el problema de la disipación de calor del chip no se ha resuelto y se ha convertido en uno de los cuellos de botella en el desarrollo de la ciencia y la tecnología. Cuando los científicos comprendan completamente la transferencia de calor de fonones al vacío, podrán optimizar el diseño del chip y reducir aún más el tamaño al tiempo que reducen el consumo de energía y la disipación de calor. Por lo tanto, es probable que este descubrimiento de la conducción de calor cambie el desarrollo del campo de los chips.

La mejora del rendimiento del chip mejorará enormemente el rendimiento de los teléfonos móviles, ordenadores y otros instrumentos que utilizamos.