Игорь Иванов
Известно, что обычное уравнение теплопроводности перестает адекватно описывать явление теплопередачи в достаточно малых системах. Причина проста: это уравнение базируется на диффузионном механизме распространения носителей температуры, то есть, для его справедливости необходимо, чтобы каждый носитель на своем пути испытывал большое число столкновений с рассеивающими центрами. Если же размер системы сравнивается с длиной свободного пробега носителей между столкновениями, то это приближение перестает выполняться. В таком случае транспорт тепла имеет скорее "баллистический", чем диффузионный характер: носители летят по инерции, а не диффундируют. В работе [G.Chen, Phys.Rev.Lett.86, 2297 (2001)] было выведено и проанализировано диффузно-баллистическое уравнение теплопроводности, учитывающее оба типа движения носителей.
Под термином "уравнение теплопроводности" в математической физике скрывается целый класс похожих уравнений, описывающих эволюцию неоднородности той или иной физической величины во времени. Это может быть, например, распространение тепла или диффузия примесных атомов. На микроскопическом уровне, во всех этих случаях та или иная характеристика среды переносится некоторыми носителями: атомами, электронами, фононами и т.п. Проходя через среду, эти носители испытывают столкновения с центрами рассеяния (атомами вещества, примесями и т.д.), что в целом приводит к некоему эффективному сопротивлению со стороны среды.
При выводе соответствующего "уравнения теплопроводности" делается, однако, два существенных предположения.
Первое -- это многократные столкновения каждого носителя с рассеивающими центрами. При этом носитель "забывает" свою начальную скорость и направление движения до "влета" в среду, что и приводит к достаточно простым уравнениям.
Второе упрощение состоит в пренебрежении "запаздыванием" диффузионного транспорта. Действительно, если в начальный момент времени область повышенной температуры была локализована, то, как следует из классического уравнения теплопроводности, спустя ничтожное время температура начнет возрастать сразу во всем объеме. Таким образом, в уравнении теплопроводности считается, что носители движутся бесконечно быстро, что на самом деле не так.
Ясно, что оба этих приближения начнут приводить к неверным результатам при изучении теплопереноса в небольших системах, то есть, в системах, линейные размеры которых сопоставимы с длиной свободного пробега носителей. Поэтому в этих случаях необходимо модифицировать классическое уравнение теплопроводности -- или отказаться от него вовсе.
С одной стороны, казалось бы, в чем тут принципиальная трудность? Берешь аккуратное кинетическое уравнение Больцманна и считаешь на его основе транспорт в любой системе. Это, конечно, так, но только точное уравнение Больцманна достаточно сложно для повсеместного использования в численном счете. Поэтому давно возникло желание остаться в рамках уравнения теплопроводности, лишь слегка адаптировав его с учетом баллистических эффектов.
Первые такие попытки были предприняты С.Каттанео в 1958 году [C.Cattaneo, C.R.Acad.Sci.247, 431 (1958)], который вывел уравнение теплопроводности с учетом конечной скорости распространения тепла. Затем, в работе [G.D.Mahan and F.Claro, Phys.Rev.B 38, 1963 (1988)] была построена нелокальная модель теплопередачи, учитывающая баллистический эффект. Несмотря на разумность базовый идей, ни та, ни другая модель все же не давала хорошего численного согласия с точным решением уравнения Больцманна в случае небольших систем.
В работе [G.Chen, Phys.Rev.Lett.86, 2297 (2001)] работяющая модель, наконец, была построена. Стартуя с того же уравнения Больцманна в приближении времени релаксации, автор явным образом разбивает функцию распределения на две части -- чисто баллистическую и чисто диффузную -- и каждую исследует по отдельности. В результате автор приходит к дифференциальному уравнению на температуру, лишь немного более сложному, чем обычное уравнение теплопроводности.
Для выявления преимуществ нового уравнения, автор численно проанализировал случай теплопередачи в тонком слое вещества, на который падает однородный поток "горячих" фононов. Решались три уравнения теплопроводности -- обычное, уравнение Каттанео и новое диффузно-баллистическое уравнение. Их решения сравнивались с точным решением кинетического уравнения Больцманна. Было найдено, что новое уравнение несравненно лучше описывает транспорт тепла, нежели предыдущие модели.
Автор подчеркивает, что диффузно-баллистическое уравнение теплопроводности может уже сейчас использоваться в разнообразных научных и инженерных программах, имеющих дело с системами небольшого размера. Кроме того, та же самая методика должна оказаться полезной и в других родственных задачах, например, при изучении течения газов в микроструктурах и электронного транспорта в наноэлектронике.
Другие работы по теме:
Кейнсианская теория
Основополагающее Кейнсианское уравнение. Монетарная трактовка Кейнсианского уравнения.
Жан Батист Жозеф Фурье
Жан Батист Жозеф Фурье. (21.3.1768-16.5.1830) Французский математик,член Парижской АН (1817). Окончив военную школу в Осере, где родился, работал там же преподавателем. В 1796-98 преподавал в Политехнической школе.
Уравнение состояния
Статистика атмосферы и простейшее приложение. Уравнение состояние сухого воздуха и его использования для расчёта плотности воздуха. Виртуальная температура и запись уравнения влажного воздуха в компактной универсальной форме. Основные const термодинамики.
Уравнение состояния
Уравнение состояние Статистика атмосферы и простейшее приложение Уравнение №1 и №2 в метеорологии и их нужно знать наизусть. Лекция 2.1 Уравнение состояние воздуха и его приложение.
Настройка зубофрезерного полуавтомата модели 5П23
Нарезка конического зубчатого колеса с числом зубьев 49, которое работает в зацеплении с колесом с числом зубьев 23. Расчётные перемещения и уравнение кинематического баланса. Схема и определение угла зацепления, проверка условия зацепляемости.
Тепловой расчет котла-утилизатора П-83
Устройство котла-утилизатора П-83. Порядок определения энтальпий газов и коэффициента использования тепла. Особенности расчета пароперегревателей, испарителей и экономайзеров высокого и низкого давления, а также дополнительного и кипящего экономайзеров.
Тепловой расчет контейнера с естественной циркуляцией воздуха
Определение коэффициентов теплопроводности слоев. Расчет суммарного термического сопротивления, суммарного коэффициента теплопередачи от внутреннего воздуха к внутренней стенке, ряда параметров приблизительного расчета. Выполнение окончательного расчета.
Уравнения поверхности и линии в пространстве
Уравнения поверхности и линии в пространстве Основные понятия Поверхность и ее уравнение Поверхность в пространстве, как правило, можно рассматривать как геометрическое место точек, удовлетворяющих какому-либо условию. Например, сфера радиуса R с центром в точке О1 есть геометрическое место всех точек пространства, находящихся от точки О1 на расстоянии R.
Метод Гаусса
Методические рекомендации по выполнению заданий методом гауса. Примеры выполнения заданий.
Доказательство теоремы Ферма для n=4
Формулирование и доказательство великой теоремы Ферма методами элементарной алгебры с использованием метода замены переменных для показателя степени n=4. Необходимые условия решения уравнения. Отсутствие решения теоремы в целых положительных числах.
Доказательство теоремы Ферма для n=3
Доказательство великой теоремы Ферма для n=3 методами элементарной алгебры с использованием метода решения параметрических уравнений. Диофантово уравнение, решение в целых числах, отсутствие решения в целых положительных числах при показателе степени n=3.
Краткое доказательство гипотезы Биля
Гипотеза Биля формулируется следующим образом: неопределенное уравнение: Аx +Вy= Сz/1/ не имеет решения в целых положительных числах А, В, С, x, y и z при условии, что x, y и z больше 2.
Доказательство теоремы Ферма для n 3
Доказательство великой теоремы Ферма для показателя степени n=3 Великая теорема Ферма формулируется следующим образом: диофантово уравнение: Аn+ Вn = Сn (1)
Полиномы
--------------------------------------------------------------------------¬ ¦ Корень n-й степени и его свойства. ¦ ¦Пример 1. ¦ ¦ Решим неравенство х6>20 ¦
Доказательство Великой теоремы Ферма для степени n 3
Файл: FERMA-n3-algo © Н. М. Козий, 2009 Украина, АС № 28607 ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВЕЛИКОЙ ТЕОРЕМЫ ФЕРМА ДЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ СТЕПЕНИ n=3 Великая теорема Ферма для показателя степени n=3 формулируется следующим образом: диофантово уравнение:
Доказательство теоремы Ферма для n 4
Доказательство великой теоремы Ферма для показателя степени n=4 Великая теорема Ферма формулируется следующим образом: диофантово уравнение: Аn+ Вn = Сn (1)
Площадь треугольника
Методика нахождения уравнения прямой исследуемого треугольника и параллельной ей стороне с использованием углового коэффициента. Определение уравнения высоты этого треугольника. Порядок и составление алгоритма вычисления площади данного треугольника.
Краткое доказательство гипотезы Биля
Гипотеза Биля как неопределенное уравнение, не имеющее решения в целых положительных числах. Использование метода замены переменных. Запись уравнения в соответствии с известной зависимостью для разности квадратов двух чисел. Наличие дробных чисел.
Краткое доказательство гипотезы Билля
Формулировка гипотезы Билля и методика ее краткого доказательства. Анализ составляющих гипотезу алгебраических выражений. Использование метода замены переменных при доказательстве гипотезы Билля, не имеющей решения при целых положительных числах.
Алгебраическое доказательство теоремы Пифагора
Доказательство теоремы Пифагора методами элементарной алгебры: методом решения параметрических уравнений в сочетании с методом замены переменных. Существование бесконечного количества троек пифагоровых чисел и, соответственно, прямоугольных треугольников.
Площадь треугольника
Задача Дано: треугольник с вершинами в точках А [4; 0] B [3; 20] и C [5; 0]. Найти: Уравнение прямой АВ; Уравнение высоты СD, проведенной к стороне АВ; Уравнение прямой СЕ, параллельной стороне АВ;
Краткое доказательство гипотезы Билля
Гипотеза Билля формулируется следующим образом: неопределенное уравнение: не имеет решения в целых положительных числах А, В, С, при условии, что больше 2.