Как тепло передается в вакууме
«Поговорим о науке»: учёные открыли явление проводимости тепла через вакуум
Из опубликованного учёными США материала:
Но, как выясняется, тепловая энергия может осуществлять «скачок» на расстояние до 1 микрометра полного вакуума. Причиной учёные считают так называемый эффект Казимира. Упрощённо эффект Хендрика Казимира обычно описывается случаем с двумя кораблями, оказавшимися на расстоянии около 40 м в штормящем море: между кораблями волнение практически исчезло, и это привело к тому, что внешняя сила (волнение на море) начала интенсивно сближать корабли друг с другом.
Профессор машиностроения университета Беркли Сян Чжан:
Отмечается, что некая сила буквально подхватывает колеблющиеся частицы и переносит их на определённое расстояние (которое может быть в тысячи раз больше размеров самих частиц). Вместе с этим идёт и перенос тепловой энергии через вакуум без электромагнитной составляющей.
Это всё равно, как если бы человек подходил к краю пропасти без какого-либо шанса оказаться на другом краю, после чего внешняя сила подхватывала бы его и переносила через пропасть.
Каков потенциал у этого открытия?
В Калифорнийском университете отмечают, что теперь есть возможность создавать так называемый квантовый вакуум для контроля и «извлечения» тепла в интегральных схемах. В свою очередь это может позволить найти метод противодействия перегреву электронных устройств, включая устройства связи, компьютерной техники.
Американский учёный китайского происхождения Ли Хао-Кунь:
Другими словами, очередь – за созданием, например, устройств хранения огромных массивов информации с существенным снижением энергопотребления. Ведь на сегодняшний день основная доля энергии, расходуемой в средствах хранения информации, средствах связи и иных устройствах, приходится на тепло (его выделение). Если «тепловая» составляющая будет сведена к минимуму, цивилизация получит совершенно новое поколение электронных (цифровых) устройств.
Учёные отмечают, что вариант переноса тепловой энергии через то, что мы называем вакуумом, возможен, так как на самом деле абсолютного вакуума не существует. В любой момент времени в кажущемся нам пустым пространстве возникают и исчезают пары частица-античастица, которые в конечном итоге и дают возможность передать тепло.
Учёные говорят о том, что это открытие может «потянуть» за собой и другое – если через «вакуум» может осуществляться теплопроводность (на основании упомянутого эффекта Казимира), то через «пустоту» вполне может распространяться и звук определённых длин волн. С точки зрения классической физики, распространение звука в вакууме до сих пор считалось невозможным.
О космическом тепле и холоде
В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос — это невообразимо холодное место, в котором самое главное — найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.
Фото космонавта Павла Виноградова
Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии — медленнее.
Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.
Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.
Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.
В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно. Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.
Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.
Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе — это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить «взаимоотношения» космического аппарата и Солнца.
Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция, «золотая фольга», которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.
Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.
Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.
Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до — 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» — ещё ниже, до — 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.
Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что «Миллиметрон», что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.
Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.
Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.
При создании космических аппаратов требуется учитывать не только «взаимоотношения» аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется «Система обеспечения теплового режима» или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора — корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника «Даурии Аэроспейс».
Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.
Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры «Луноход-2» погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя «лунного трактора».
В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них — Александр Шаенко из «Даурии Аэроспейс», занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.
Поэтому нам в «Даурии» нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.
Физики передали тепло через вакуум на рекордно большое расстояние
Физики впервые передали тепло через вакуум на несколько сотен нанометров — это рекордно большое расстояние для такого процесса. Исследование ученых из Калифорнийского университета опубликовано в журнале Nature.
Читайте «Хайтек» в
Ученые считают, что вакуум не следует воспринимать как полностью пустое и безжизненное пространство. Согласно законам квантовой физики, он заполнен квантовым шумом — постоянно рождающимися и исчезающими парами виртуальных частиц и античастиц.
Это подтверждает так называемая сила Казимира — она представляет собой эффект, в ходе которого две тонкие металлические пластинки в вакууме притягиваются друг к другу. Теперь ученые еще раз доказали ее существование, передав тепло между двумя пластинками из карбида кремния, покрытого золотом, которые плавали в вакууме.
Тепло обычно передается через твердые тела в виде фононов, вибраций атомов или молекул. В вакууме подобной среды нет, и поэтому во всех учебниках написано, что тепло не может передаваться через безвоздушное пространство. Удивительно, но мы показали, что фононы могут передаваться через вакуум благодаря невидимым квантовым колебаниям.
Сян Чжан, ведущий автор исследования
Исследователи отмечают, что их эксперимент подтверждает возможность передачи через вакуум различных форм тепла, в том числе такие, как туннелирование фотонов или давление электромагнитного излучения.
Ранее физик Люсиль Турк из Университета Хельсинки в Финляндии представил моделирование звуков гудения магнитного поля Земли, которое защищает планету от излучения солнечного ветра.
Как передать тепло через вакуум без использования излучения?
Физики обнаружили, что две крошечные вибрирующие мембраны могут выравнивать свои температуры, несмотря на то, что между ними находится вакуум, через который, как считалось ранее, невозможно передавать тепло без помощи излучения. Данный тип теплопередачи был предсказан, но до сих пор не осуществлялся.
Вакуум является лучшей теплоизоляционной средой. Но квантовая механика позволяет теплу его преодолеть, говорит физик Кинг Ян Фонг, проводивший исследование в Калифорнийском университете в Беркли. Для расстояний в масштабе нанометров тепло может передаваться через вакуум посредством квантовых флуктуаций — своего рода перемешивания переходных частиц и полей, которое происходит даже в абсолютно пустом пространстве.
Изготовленные из золоченого нитрида кремния, мембраны имеют ширину около 300 микрометров. Исследователи охладили одну мембрану и нагрели другую так, что разница их температур составила около 25 градусов Цельсия. Это вызывало вибрацию мембран: чем теплее мембрана, тем энергичнее она вибрирует. Когда мембраны находились в нескольких сотнях нанометров друг от друга, их температуры, несмотря на вакуум, выравнивались — тепло передавалось от одной к другой.
Тепло передается тремя способами: в результате прямого контакта, конвекции и излучения. Для конвекции необходим теплоноситель — жидкость или газ, выступающие в роли посредника между двумя телами. Передача тепла с помощью излучения возможна и в вакууме — так Солнце греет Землю.
Теперь экспериментально был доказан еще один путь передачи тепла, хотя он осуществляется только на очень малых расстояниях. Данная передача тепла основана на эффекте Казимира: квантовые флуктуации создают силу притяжения между двумя поверхностями, разделенными вакуумом. В квантовой механике пустое пространство никогда не может быть по-настоящему пустым: в нем присутствуют электромагнитные волны, которые могут воздействовать на материалы. В описанном эксперименте две мембраны воздействовали друг на друга: вибрации более горячей заставляли вибрировать более холодную мембрану чаще, из-за чего их вибрации и температуры выровнялись.
Этот новый тип теплопередачи может помочь улучшить характеристики наноразмерных устройств. А тепло — это большая проблема в нанотехнологиях: производительность крошечных микросхем во многом зависит от того, с какой скоростью они способны рассеивать тепло.
Как передать тепло через вакуум без помощи излучения
Физики обнаружили, что две крошечные вибрирующие мембраны могут выравнивать свои температуры, несмотря на то, что между ними находится вакуум, через который, как считалось ранее, невозможно передавать тепло без помощи излучения. Данный тип теплопередачи был предсказан, но до сих пор не осуществлялся.
Вакуум является лучшей теплоизоляционной средой. Но квантовая механика позволяет теплу его преодолеть, говорит физик Кинг Ян Фонг, проводивший исследование в Калифорнийском университете в Беркли. Для расстояний в масштабе нанометров тепло может передаваться через вакуум посредством квантовых флуктуаций — своего рода перемешивания переходных частиц и полей, которое происходит даже в абсолютно пустом пространстве.
Изготовленные из золоченого нитрида кремния, мембраны имеют ширину около 300 микрометров. Исследователи охладили одну мембрану и нагрели другую так, что разница их температур составила около 25 градусов Цельсия. Это вызывало вибрацию мембран: чем теплее мембрана, тем энергичнее она вибрирует. Когда мембраны находились в нескольких сотнях нанометров друг от друга, их температуры, несмотря на вакуум, выравнивались — тепло передавалось от одной к другой.
Тепло передается тремя способами: в результате прямого контакта, конвекции и излучения. Для конвекции необходим теплоноситель — жидкость или газ, выступающие в роли посредника между двумя телами. Передача тепла с помощью излучения возможна и в вакууме — так Солнце греет Землю.
Теперь экспериментально был доказан еще один путь передачи тепла, хотя он осуществляется только на очень малых расстояниях. Данная передача тепла основана на эффекте Казимира: квантовые флуктуации создают силу притяжения между двумя поверхностями, разделенными вакуумом. В квантовой механике пустое пространство никогда не может быть по-настоящему пустым: в нем присутствуют электромагнитные волны, которые могут воздействовать на материалы. В описанном эксперименте две мембраны воздействовали друг на друга: вибрации более горячей заставляли вибрировать более холодную мембрану чаще, из-за чего их вибрации и температуры выровнялись.
Этот новый тип теплопередачи может помочь улучшить характеристики наноразмерных устройств. А тепло — это большая проблема в нанотехнологиях: производительность крошечных микросхем во многом зависит от того, с какой скоростью они способны рассеивать тепло.