Шумакин н.И. Ни.М-21 Теплопроводность в микро- и наносистемах Понятие теплопроводности в макро- микро- и наноприложениях.

Теплопроводность — способность тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества, и размеров самого объекта.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Для оценки теплопроводности в макрообъектах чаще всего используют закон теплопроводности Фурье. В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

(1)

Где — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad (T) (то есть в сторону скорейшего убывания температуры).

Как правило, закон теплопроводности Фурье применим в большинстве случаев, но в зависимости от размеров системы в сторону уменьшения, могут меняться и механизмы теплопроводности, так как в таких системах начинают оказывать значительное влияние поверхностные и приповерхностные атомы, преобладая над объемными. В этой связи, привычные нам законы теплопроводности перестают действовать. В микро- и нанообъектах доминирующим показателем оказывается вязкость, поверхностное натяжение. В таких системах следует учитывать межмолекулярные взаимодействия, взаимодействие молекул и атомов с поверхностью и поверхности с поверхностью в случае тонкого слоя жидкости, где длина свободного пробега больше чем расстояние между поверхностями.

Теплопроводность микро- и нанообъектов.

Современные проблемы энергетики и получающие все большее распространение микро- и нанотехнологии диктуют необходимость миниатюризации систем охлаждения и разработки эффективных методов управления теплообменом. Одним из перспективных способов интенсификации теплообменных процессов представляется повышение теплопроводности теплоносителя (жидкости) путем добавления в него твердых частиц с высокой теплопроводностью. Многочисленные исследования показали, что использование частиц микронного размера может приводить не к интенсификации, а наоборот, к снижению теплоотдачи за счет подавления турбулентности дисперсной фазой.

Кроме того, могут возникнуть такие нежелательные эффекты, как абразивный износ поверхности канала, отложение частиц на стенке и в застойных зонах, увеличение гидравлического сопротивления. В этой связи переход к нанометровым частицам оправдан и призван решить существующие проблемы. В настоящее время изучением свойств наножидкостей активно занимаются многочисленные исследовательские группы в таких странах как США, Корея, КНР, Япония, Англия и др., а число публикаций, посвященных наножидкостям, особенно в последнее десятилетие растет экспоненциально.

С какими свойствами наножидкостей исследователи связывают свои надежды по интенсификации теплообмена? В первую очередь это вызвано высокой теплопроводностью наночастиц. В таблице 1 приведены значения теплопроводности при комнатной температуре для некоторых материалов, используемых при приготовлении наножидкостей.

Таблица 1. Значения теплопроводности при комнатной температуре.

Видно, что теплопроводность углеродных нанотрубок существенно выше, чем у металлов, и более чем на четыре порядка превышает аналогичную величину для базовой жидкости, что может привести к значительным изменениям теплофизических свойств наножидкостей и усилению теплообменных процессов. Базовой жидкостью называют жидкость, объем которой преобладает над объемом введенных в нее микро- нанообъктов в несколько сотен раз.