Модуляция градиента температуры увеличила теплопередачу в газе

Чешским физикам удалось увидеть эффект увеличения теплопередачи в газе, запертом между двумя пластинами разной температуры, одна из которых модулировалась со временем. Ранее этот эффект был предсказан лишь теоретически, но никем не наблюдался. Его подтверждение поможет улучшить климатические модели, а также повысить эффективность теплоотвода. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

При нагреве тела, как правило, расширяются, а их плотность уменьшается. По этой причине возникает конвекция в жидкостях и газах, когда в условиях тяготения нижняя часть среды становится горячее, чем верхняя. Это вызывает встречные потоки вещества, которые могут причудливым образом взаимодействовать. Сложный характер этого процесса очень хорошо иллюстрирует конвекция парафина в масле лавовой лампы.

Конвекция играет важную роль во множестве атмосферных и климатических явлений. В этом случае границы атмосферы сверху и снизу можно представить в виде плоскостей разных температур. Оказалось, что у такой простой задачи можно найти аналитическое решение в виде конвекции Рэлея — Бенара, для которой характерно возникновение упорядоченности.

Модель Рэлея — Бенара, однако, не учитывает множество факторов, в том числе то, что температура поверхности Земли испытывает суточные колебания. Недавно группа теоретиков показала, что этот фактор может ускорять эффективность теплообмена на четверть по сравнению со стационарным случаем. Это достаточно существенный эффект, поскольку его учет может изменить существующие климатические модели, однако пока ничего похожего экспериментаторы не наблюдали, либо наблюдали с ограниченной амплитудой для узкого диапазона частот.

Ладислав Скрбек (Ladislav Skrbek) из Карлова университета с коллегами из Института научной аппаратуры Академии Наук Чехии сообщили о том, что им удалось разрешить это противоречие с помощью новой установки, с бо́льшим, чем у их предшественников, количеством датчиков, а также с более эффективной системой контроля температуры верхней и нижней пластины. Они смогли понять как распределены температуры в объеме образца для различных режимов конвекции, а также амплитуд и частот температурной модуляции. Измерения проходящего потока в таких условиях подтвердили выводы теоретиков.

Установка, использованная физиками, представляла собой цилиндрическую камеру диаметром 30 сантиметров, снабженную 12 германиевыми термодатчиками, верхняя и нижняя стенки которой изготовлены из отожженной меди. Расстояние между медными пластинами равное 30 сантиметрам авторы заполняли гелием при температуре около пяти кельвин. Обе пластины были снабжены нагревательными элементами, а верхняя обладала дополнительным теплоотводом в резервуар с жидким гелием, что обеспечивало на ней высокий контроль температурной модуляции. По этой причине физики провели основную часть экспериментов, меняя ее температуру.

На первом этапе работы они обнаружили, что когда тепловые волны, вызванные колебанием разности температур между верхней и нижней пластинами, распространяются в турбулентном режиме, их амплитуда в середине камеры почти не зависит от расстояния. Более детальный анализ показал, что амплитуда и фаза тепловых волн резко меняются лишь в приграничных к пластинам слоях, чья толщина тем меньше, и, следовательно, температурный профиль тем резче, чем больше число Рэлея Ra, характеризующее режим конвекции (им физики управляли, меняя разность температур пластин). Эффект сохранился для широкого диапазона частот и амплитуд модуляций.

В дальнейшем ученые сфокусировались на измерении теплового потока, вызванного колеблющимся градиентом температур, и сравнении его с потоком для стационарного случая. Они обнаружили, что модуляция действительно увеличивает этот поток, для широкого диапазона чисел Рэлея (от 4×10⁸ до 2×10¹²) и частот (от 0,006 до 0,2 герц). Во всех случаях эффект с хорошей точностью зависел от амплитуды модуляции по квадратичному закону, а частотная зависимость оказалась в качественном согласии с результатами теоретиков. Авторы надеются, что обнаруженный ими эффект не только позволит уточнить модели атмосферных и океанических процессов, но и поможет улучшить теплоотвод в технических приложениях.

Нестационарная теплопередача привлекает большой интерес из-за своей малоизученности и практической значимости. Не так давно физики создали тепловую индуктивность при комнатной температуре.

Марат Хамадеев