Выплески тепла похожи на причудливые волны «второго звука» в сверхтекучих средах
Кружка горячего шоколада, оставленная на некоторое время в холодной комнате, не согреет ваш живот.
Но новые исследования показывают, что, если оставить ее в еще более холодной комнате, шоколад практически не согреется. всего тепла, ваша чашка вкуснейшего какао мгновенно снова станет горячей.
Исследователи из Массачусетского технологического института в США и Технологического университета Суинберна в Австралии обнаружили причудливое термодинамическое явление возвращающихся тепловых волн. появляется в материалах, известных как сверхтекучие.
Хотя это никоим образом не является практическим средством поддержания температуры ваших напитков, оно все же говорит нам кое-что о движении энергии через экзотические материалы, такие как сверхтекучий квант. газ, изучаемый в этом эксперименте.
«Между нашим клубком газа, который в миллион раз тоньше воздуха, и поведением электронов в высокотемпературных сверхпроводниках и даже нейтронов в сверхплотных нейтронных звезд», — говорит физик из Массачусетского технологического института Мартин Цвирляйн.
«Теперь мы можем точно исследовать температурную реакцию нашей системы, которая учит нас вещам, которые очень трудно понять или даже достичь».
Атомы в этих условиях способен на некоторые странные действия. Например, они могут вести себя как сверхтекучие материалы, которые текут с нулевой вязкостью.
Один из физиков, создавших теорию сверхтекучести, Лев Ландау, пришел к выводу, что жидкость гелия II, охлажденная до этого состояния, сохранит является вязким компонентом и, следовательно, состоит из двух жидкостей: «супер» и «нормальной».
Было показано, что эти две жидкости могут переносить свои собственные волны энергии, создавая так называемую вторую волну. звук. Всего несколько лет назад физики из Кембриджского и Оксфордского университетов в Великобритании продемонстрировали, что волны тепла и звука могут двигаться разными способами сквозь квантовый туман бозе-эйнштейновского конденсата, как будто ни один из них не подозревает о путешествии другого.
Хотя волнообразное поведение тепла ясно наблюдалось в этом втором звуке, его еще предстояло изучить в каких-либо деталях.
«Второй звук является признаком сверхтекучести, но в ультрахолодном состоянии газов, до сих пор вы могли видеть это только в этом слабом отражении пульсаций плотности, которые сопровождают его», — говорит Цвирляйн.
«Характер тепловой волны раньше невозможно было доказать».
Чтобы определить природу этого потока тепловой энергии, команда разработала метод теплового картирования, который фиксирует частоты излучения, характерные для тепловой энергии, движущейся через ферми-газ, состоящий из изотопа лития-6. Это позволило им разработать динамическую картину тепла при его распространении через двухжидкостную систему.
В более благоприятных условиях окружающей среды частицы в жидкостях, таких как вода, будут сталкиваться с тепловой энергией, делясь своим теплом со своими соседями. каждое столкновение, которые, в свою очередь, делятся частью своей энергии со своими соседями и так далее. Это приводит к тому, что тепло рассеивается из теплого участка и перемещается по системе, пока все не придет в равновесие.
Сверхжидкости играют по своим собственным правилам. Вместо того, чтобы диффундировать через облако хаотично движущихся атомов, тепловая энергия распространяется более упорядоченным волнообразным образом, «раскачиваясь» взад и вперед в пределах своего контейнера.
Понимание динамики тепловой энергии в материалы, работающие в экстремальных условиях, могут привести к созданию лучших моделей для улучшения технологии сверхпроводимости или теоретизирования поведения частиц глубоко внутри звезд.
В конце концов, это может даже помочь нам найти способ сохранить ваше какао горячим немного дольше .
Это исследование было опубликовано в журнале Science.
