Управление скоростью теплопередачи в жидкости
 Компьютерное моделирование классической конвекции. Изображение из D. C. Rapaport, Phys. Rev. E 73, 025301(R) (2006). (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Передача тепла в жидкости обуславливается двумя явлениями: диффузией и конвекцией. Диффузия – это процесс молекулярных масштабов, а именно передача тепла за счет столкновений более быстрых («нагретых») молекул с медленными («холодными»). К слову, диффузия характерна не только для жидкостей, но и для других агрегатных состояний вещества.
Конвекция – перемещение целых объемов жидкости. При нагревании плотность жидкости изменяется (за редким исключением – уменьшается) и под действием силы тяжести в движение приходят слои жидкости с разной температурой; более легкие стремятся наверх, более тяжелые – вниз. Если, к примеру, нагревать жидкость снизу, более холодные (плотные) верхние слои будут вытеснять теплые (легкие) нижние, создавая вертикальный замкнутый конвекционный поток, который при поддержке постоянной разницы температур со временем стабилизируется (пример моделирования поверхности такой жидкости – на рис.). Такое поведение можно назвать «обычным».
Ранее считалось, что добавка к жидкости специальных наночастиц может полностью блокировать конвективный теплообмен. Для демонстрации этого явления использовалась вода, подогреваемая снизу, и особые наночастицы, которые перемещаются к источнику температуры и блокируют движение вверх более нагретого слоя жидкости. При повышении температуры в «игру» вступает большее число частиц, снова уравновешивая процесс.
На основе новых теоретических результатов специалисты Миланского Университета предположили, что в такой жидкости все-таки может происходить конвективный теплообмен при равномерном распределении частиц по вертикали.
Для подтверждения своей теории ученые использовали 4% раствор наночастиц, созданных из сходного по свойствам с тефлоном полимера. Они расположили в жидкости две прозрачные пластины (одну над другой), разница в температуре которых позволяла уравновесить движение наночастиц в растворе под действием сил тяжести. После стабилизации всех процессов в растворе (через 3 дня) исследователи нагрели «образец», контролируя процесс конвекции.
Измерения показали, что в случае с равномерным распределением наночастиц скорость переноса тепла была существенно больше, нежели когда частицы «собирались» вокруг источника тепла.
И, хотя, требуются еще детальные исследования обнаруженного явления, ученые уже предполагают практическое применение феномена в устройствах будущего для контроля скорости нагревания или охлаждения.
Следует отметить, что попытки повлиять на тепловые свойства жидкостей при помощи различных вариантов нано-добавок предпринимались и ранее. Некоторым жидкостям теоретические расчеты даже пророчили свойства аномально-высокой теплопроводности, однако, подобные предположения были опровергнуты на практике учеными из Массачусетского Технологического Института (MIT) еще в 2007 году.
Кстати, изменение теплопроводности в определенных внешних условиях – далеко не единственный «фокус» с физическими свойствами, на который способны наножидкости. К примеру, около года назад была опубликована работа специалистов из Института Ренсслеера (Rensselaer Polytechnic Institute), показывающая изменение контактного угла жидкости с поверхностью в магнитном поле. Так же известны жидкости, меняющие при определенных внешних условиях свой цвет («наножидкости – хамелеоны»).
Источники: