Тепловой поток более эффективен при колебаниях температуры, чем при статике
Группа исследователей из Института научных приборов, работающая с коллегой из Карлова университета в Чешской Республике, показала, что тепло течет более эффективно, когда температура материала, через который оно проходит, колеблется, а не остается постоянной. В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, группа описывает эксперименты, которые они провели с нагреванием и охлаждением гелия в контейнере, и его связь с теорией, предложенной всего два года назад.
Слева: ячейка эритроцитов L=30 см с соотношением сторон G=D/L=1 с толщиной верхней и нижней пластин толщиной 28 мм и диаметром D=30 см из термически отожженной меди с теплопроводностью λ p =2210 Вт·м- 1 · K - 1 и емкость с р =0,144 Джкг -1 К -1 при Т Не =(Т Т +Т В )/2≈5К , где Т Т и Т В - характерные температуры верхней и нижней пластин. С верхней пластины большая часть тепла отводится через теплообменную камеру в сосуд с жидким Не над ней. Температура верхней плиты T T(t) грубо задается давлением в теплообменной камере, а более точно настраивается и модулируется равномерно распределенным нагревателем, вклеенным в спиральную канавку на верхней стороне верхней пластины. Подобный нагреватель подает либо постоянное, либо гармонически модулированное тепло на нижнюю пластину. Температура конвективного потока в показанных местах (расстояния в миллиметрах) измеряется небольшими германиевыми датчиками (пронумерованы 1–12), а температура пластин — точно откалиброванными германиевыми датчиками T t1 , T t2 , T b1 и T b2 встроенные в них; см. фотографию в правом верхнем углу, показывающую их положение и рощу спирального нагревателя. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.134502
В 1916 году физик Джон Уильям Струтт, 3-й барон Рэлей, показал пример колеблющегося теплового потока. Он наполнил контейнер жидкостью, а затем поместил под ним нагретый змеевик и охлаждающую пластину сверху. Это заставляло жидкость подниматься и опускаться в контейнере. Эффект стал известен как конвекция Рэлея-Бенара — его можно увидеть в действии лавовых ламп. Два года назад команда из Университета Твенте предположила, что тепловой поток в конвекционной системе Рэлея-Бенара будет более эффективным, если тепло, исходящее от основания, будет колебаться. В этой новой попытке исследователи показали, что эта теория верна.
Работа заключалась в создании контейнера с нагревательным устройством на дне, которое могло перемещаться в зависимости от температурного градиента с течением времени. И, как и Strutt, сверху разместили охлаждающее устройство. Однако, в отличие от Струтта, они использовали газ, а не жидкость — в их случае гелий. Они также проводили свои эксперименты при более низких температурах, чем температура окружающей среды. Чтобы больше узнать о влиянии таких колебаний на тепло, проходящее через систему, они провели несколько прогонов, во время которых скорость колебаний колебалась от 0,006 до 0,2 Гц.
Они обнаружили, что, как и предполагалось, колебательный источник тепла перемещает тепло по системе более эффективно — на 25% больше. Более ранняя теория предполагала, что повышение эффективности возникает из-за дестабилизации границ жидкостей в камере, что позволяет жидким областям в них легче перемещаться друг относительно друга.
