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谈谈第四种导热方式:真空声子传热

已有 4902 次阅读 2019-12-26 22:06 |个人分类:察见渊鱼者不祥|系统分类:科普集锦


热有三种传递方式:传导、对流和辐射。最近出现了第四种导热方式——真空声子传热:改写教科书的第4种热传递方式被发现了。研究报告刚刚发表在Nature杂志上。

 

我觉得,这篇文章又一次验证了卡斯米尔力的存在(光学教学笔记之真空不空)。

器件制作和测量都很不容易,但是理论上的意义就是这样。

卡斯米尔力把两个薄膜耦合起来,其实静电力也可以的,这个工作也观察到了这两种不同的耦合——它们都可以在真空中存在。在真空中,二个薄膜之间的耦合是卡斯米尔力,反比于间距的4次方,这个力非常微弱,比静电力还小很多,所以需要消除静电力(反比于间距的2次方)——这就是他们在试验中得到的负5次方关系和负3次方关系(因为需要求一次导数)。

至于说导热的第四种方式,并没有实际意义,只要算一下就知道了:

两个300微米见方的薄膜,厚度为250纳米,在室温下二者的温度差为25度,导热功率才$6\times 10^{-21}$W,而每个薄膜的黑体辐射功率大约是$4\times 10^{-5}$W,即使是二者的辐射功率差也有$5\times 10^{-7}$W——这种导热方式比黑体辐射差了十几个数量级。

所以,这种新的导热方式没有任何实际的意义。


附录:

这个第四种导热方式到底有多微弱呢?我们再从另外两个个角度说说。

在这篇文章研究的条件下,导热功率才$6\times 10^{-21}$W,这相当于在室温条件下,每秒钟吸附一个气体分子所获得的能量,$\frac{3}{2}k_BT$。他们的真空度是$10^{-6}$托,由此可以估计,每秒钟大约有$10^{14}$个气体分子碰到这两个薄膜上。这又是十几个数量级的差别。

卡斯米尔力很弱,在两个薄膜间距为1微米的时候,由于卡斯米尔效应得到的压强大约是1毫帕。在这个工作中,对应于两个薄膜之间的吸引力就是$10^{-10}$牛。而这两个薄膜之间的万有引力大约是$10^{-20}$牛。这两者的差别是10个数量级,比上面提到的两种差别(都是十好几个数量级),还有几个数量级的差别呢。




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