перенос теплоты в вакууме возможен за счет
«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.
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.
Перенос теплоты в вакууме возможен за счет
Основы вакуумной техники
3.Физические процессы в вакууме
3.1. Вязкость газов
При перемещении твердого тела со скоростью vnза счет передачи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения.
Сила трения по всей поверхности переноса, согласно второму закону Ньютона, определяется общим изменением количества движения в единицу времени:
, (3.1)
где А– площадь поверхности переноса; η – коэффициент динамической вязкости.
. (3.2)
С учетом законов распределения молекул по скоростям и длине свободного пути
(3.3)
Подставляя коэффициенты η и L, зависящие от давления, получаем
, (3.4)
т. е. динамическая вязкость не зависит от давления при низком вакууме.
Температурную зависимость коэффициента вязкости можно определить по формуле
(3.5)
Т. е. η зависит от ТХ, где х=1/2 – при высоких температурах (T>>C) и х=3/2 – при низких температурах (T 103.
Теплопроводность газа в качестве явления переноса при низком вакууме можно рассматривать аналогично вязкости газа. Вместо количества движения в этом случае переносится энергия молекул газа. Количество теплоты, отнесенное к одной молекуле газа 
,(3.12)
где: cv— теплоемкость газа при постоянном объеме; m— масса молекулы газа; Т — абсолютная температура.
Если концентрация газа п постоянна, то аналогично можно записать выражение для теплового потока: 
,(3.13)
где λН — коэффициент теплопроводности газа при низком вакууме:
(3.14)
Таким образом, коэффициент теплопроводности газа равен произведению коэффициента динамической вязкости на удельную теплоемкость газа при постоянном объеме. Для расчета cvможно использовать выражение
, (3.15)
где Еи — плотность теплового потока, Вт/м2; Т1 Т2— температуры на внешней и внутренней поверхности переноса; Ег — геометрический фактор (для параллельных плоскостей и концентричных цилиндрических оболочек Ег=1); Ее — приведенная степень черноты: 
, (3.18)
где А1 и А2— площади внешней и внутренней поверхностей переноса; е1 и е2— коэффициенты излучения внешней и внутренней поверхностей.
Для гладких поверхностей в случае нержавеющей стали е = 0,1 при Т=300 К и 0,06 при Т=77 К, а для меди, соответственно, е=0,03 и 0,019.
При установке экранов приведенная степень черноты уменьшается пропорционально количеству установленных экранов N. Если A1=A2; e1=e2=e,то приведенная степень черноты 
. (3.19)
В высоком вакууме конвективным теплообменом для технических расчетов обычно пренебрегают, считая его малым по сравнению с другими способами теплопередачи. Теплопроводность газа в высоком вакууме между двумя поверхностями с температурой Т2 и Т1, можно записать в виде
(3.20)
Преобразовав, получим 
, (3.21)
где λВ’ — коэффициент теплопроводности газа при высоком вакууме: 
, (3.22)
т. е. коэффициент теплопроводности при высоком вакууме пропорционален давлению.
Более точное выражение, полученное в молекулярно-кинетической теории
(3.23)
отличается от (3.22) для двухатомных газов на 20 %.
Если при соударении молекулы газа с поверхностью не происходит полного обмена энергии, т. е. коэффициент аккомодации поверхностей переноса меньше единицы, то уменьшение теплового потока учитывается множителем α/(2—α), где α — коэффициент аккомодации для обеих поверхностей переноса.
Таким образом, окончательное выражение для коэффициента теплопроводности газа в высоком вакууме можно записать в виде
(3.24)
Теплопередачу излучением в высоком вакууме можно рассчитать.
В области среднего вакуума конвективный теплообмен рассчитывают по формулам (3.17)…(3.19), коэффициент теплопроводности газа может быть приближенно определен по выражению 
, (3.25)
где 
; 
.
Здесь а1, а2 — коэффициенты аккомодации поверхностей переноса; L— длина свободного пути при средней температуре.
Для приближенных расчетов можно принять, что 
Значения а для различных газов и материалов подложки приведены в таблицах. Учитывая, что L=L1/p, преобразуем и получим 
, (3.26)
где 
; 
.
3.3. Скольжение разреженных газов
Экспериментальные исследования течения газа при малых давлениях в магистрали показали, что действительный расход газа больше теоретического, найденного на основании гидродинамических законов ламинарного течения. Это расхождение объясняется тем, что в отличие от ламинарного течения, при котором скорость на поверхности стенки полагают равной нулю, существует скачок скорости, т. е. на поверхности стенки скорость потока газа имеет некоторое значение, отличное от нуля. Такое течение газа называют течением со скольжением. При дальнейшем понижении давления, когда средняя длина свободного пути молекул газа больше расстояния между стенками, молекулы движутся от стенки до стенки практически без межмолекулярных соударений, т. е. наступает свободное молекулярное течение.
При течении со скольжением обычно считают, что градиенты макроскопической скорости и потока газа постоянны и изменяются только непосредственно около поверхности (рис.3.1.) на расстоянии порядка средней длины свободного пути L молекул газа. 
Рис. 3.1. Схема течения газа со скольжением.
Для изучения распределения скорости во всем объеме газа на расстояниях, значительно превышающих L, изменение градиента скорости около поверхности не имеет существенного значения. Для определения граничных условий движения газа у поверхности достаточно проэкстраполировать линейный участок изменения скорости до пересечения с поверхностью. Полученное значение uS фиктивной скорости называют скоростью скольжения, причем действительное значение скорости uS потока у поверхности отличается от значения u1 и от скорости движения поверхности, которая равна нулю, если поверхность неподвижна.
Скорость скольжения вдоль поверхности 
,
где 
– градиент скорости газового потока по оси x, перпендикулярной к поверхности стенки; 
– коэффициент аккомодации тангенциального импульса количества движения; 
– вязкость газа; 
– плотность газа; 
– коэффициент скольжения, имеющий размерность длины: 
.
Под коэффициентом скольжения 
понимают расстояние, на которое должна быть удалена стенка, чтобы скорость потока на ней, при экстраполяции линейного измерения скорости, равнялась нулю (на неподвижной стенке) или скорости движения стенки.
3.4 Температурный скачок
Явление, аналогичное скольжению, наблюдается и при исследовании теплопроводности разреженных газов, если средняя длина свободного пути L значительно меньше расстояния между поверхностями тел с разной температурой, т. е. существует различие между температурами поверхности TW и газа T1 непосредственно у поверхности.
На расстоянии от поверхности, большем L, градиент температуры в направлении оси x, перпендикулярной к поверхности, остается постоянным и изменяется только около поверхности (рис.3.2.) Отклонение закона изменения температуры около поверхности от линейного объясняется тем, что молекулы отражаются от стенки при некоторой температуре 
, отличающейся от температуры стенки TW. Энергия молекул газа, подлетающих к стенке, соответствует температуре слоя газа, в котором они испытали последнее столкновение. При T1 отражении молекул от поверхности температура газа должна быть промежуточной между температурой газа в слое, где молекулы претерпели последние столкновения, и температурой стенки, т. е. действительное значение температуры газа у поверхности T1 отличается и от температуры стенки TW, и от температуры T0, соответствующей линейному изменению температуры поверхности. 
Рис. 3.2. Температурный скачок на границе поверхность – газ.
Разность между фиктивной температурой газа T0 у поверхности, определяемой экстраполяцией линейного закона изменения температуры до температуры поверхности, и температурой стенки TW называют температурным скачком: 
Здесь 
– коэффициент температурного скачка, имеющий размерность длины; его представляют как некоторое расстояние, на которое должна быть отодвинута поверхность стенки, чтобы температура газа на ней равнялась температуре стенки при сохранении линейного закона изменения температуры:
, (3.27)
где 
– коэффициент аккомодации тангенциального импульса количества движения.
Введя коэффициент аккомодации a, получим
(3.28)
Уравнения (3.27) и (3.28) справедливы для одноатомных газов. Для многоатомных газов 
где k– показатель адиабаты; cV– изобарная теплоемкость; λ– теплопроводность.
3.5. Процессы изменения состояния газов вакуумных систем
Во время работы вакуумной системы газ в откаченном объеме расширяется, в результате чего меняется его температура. Непостоянство температуры газа сказывается на точности расчета, что необходимо учитывать, особенно при наличии в системе конденсирующихся паров. В месте с тем, при малых давлениях (меньше 10 Па) процесс расширения газа можно считать изотермическим, так как расширение происходит медленно, и газ успевает воспринимать тепло, от окружающих стенок, сохраняя свою температуру практически постоянной – примерно равной температуре стенок. При изотермических процессах справедлив закон Бойля – Мариотта. При достаточно высоких давлениях в вакуумной системе расширение газа обычно происходит столь быстро, что температура окружающих стенок не успевает сказаться на температуре газа, в таком случае процесс рассчитывается по уравнению адиабаты. Возможны промежуточные политропные процессы.
Курс обучения «Основы течеискания и вакуумной техники» 12–14 октября 2021 года
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники».
Программа является подготовительным курсом к аттестации персонала в области контроля герметичности по требованиям РОСТЕХНАДЗОР (СДАНК-01-2020, СДАНК-02-2020) и РОСАТОМ ГОСТ Р 50.05.01-2018, ГОСТ Р 50.05.11-2018.
По результатам обучения сотрудник получает удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Курс проводится согласно лицензии на образовательную деятельность №1103.
Проводимый экзаменационный контроль может быть учтен аттестационным центром для выдачи удостоверения на право подготовки заключений о контроле герметичности. Курс на практике подготовит к квалифицированной эксплуатации и обслуживанию современного вакуумного оборудования.
Занятия будут проходить в очной форме в отеле «Новый Петергоф», Санкт-Петербург, Петергоф, Санкт-Петербургский проспект, 34. Для слушателей семинара действуют специальные цены на бронирование номеров. Мест в группе – 15. Необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 989-04-49 доб.2, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Актуальная информация в телеграм ВАКТРОН.
Способы передачи тепловой энергии
Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:
С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.
Что такое теплопроводность
Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.
Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.
При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.
Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.
Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.
Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.
А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.
Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.
В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.
Что такое конвекция и как она происходит
В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.
Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.
Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.
Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.
Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.
Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.
— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;
— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;
— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).
Что такое излучение
Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.
Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.
Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.
Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.
Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.
Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.
По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.
В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.
Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.