Caros Leitores;
O calor flui de regiões mais quentes para regiões mais frias de silício amorfo. CRÉDITO: Leyla Isaeva, CC BY-ND
Uma nova teoria unificada para o transporte de calor descreve com precisão uma ampla gama de materiais - de cristais e sólidos policristalinos a ligas e vidros - e permite que sejam tratados da mesma maneira pela primeira vez. A metodologia, que é baseada na teoria de Green-Kubo da resposta linear e nos conceitos da dinâmica da rede, explica naturalmente os efeitos da mecânica quântica e, portanto, permite a modelagem preditiva do transporte de calor nos vidros a baixa temperatura - um feito nunca alcançado antes, digamos os pesquisadores que o desenvolveram. Será importante compreender e projetar melhor os dispositivos de transporte de calor em diversas aplicações, desde o gerenciamento de calor em eletrônicos de alta potência, baterias e energia fotovoltaica até a coleta de energia termoelétrica e o resfriamento em estado sólido. Pode até ajudar a descrever o fluxo de calor nos sistemas planetários.
“O transporte de calor é o mecanismo fundamental pelo qual é alcançado o equilíbrio térmico”, explica Stefano Baroni, da Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) em Trieste, Itália, que liderou esse esforço de pesquisa. “Também pode ser considerada a manifestação mais fundamental da irreversibilidade da natureza - como o calor flui das áreas quentes do mesmo sistema para as mais frias, à medida que o tempo flui do passado para o futuro (a 'flecha do tempo'). Além disso, muitas tecnologias modernas contam com nossa capacidade de controlar o transporte de calor. ”
No entanto, apesar de sua importância, o transporte de calor ainda é pouco compreendido e é difícil simular o transporte de materiais por causa dessa falta de entendimento. Para superar essa lacuna de conhecimento, os pesquisadores empregam várias técnicas de simulação baseadas em diversas suposições e aproximações físicas para diferentes classes de materiais - cristais, por um lado, e sólidos e líquidos desordenados, por outro.
“Nenhuma teoria abrangente existia antes do nosso trabalho e os pesquisadores não sabiam como simular adequadamente um sistema que é composto por diferentes classes de materiais (um cristal ou vidro, por exemplo) ou um sistema que não é facilmente classificado (um defeito ou cristal parcialmente desordenado, por exemplo) ”, diz Baroni. "E no caso de óculos a baixa temperatura, nos quais coexistem efeitos quânticos e desordem, nenhum método de simulação estava disponível".
Preenchendo as lacunas
Nossa nova abordagem preenche essas lacunas de uma maneira teoricamente rigorosa e praticamente viável, diz ele ao Physics World .
Até agora, havia essencialmente duas abordagens independentes (e aparentemente não relacionadas) para descrever o transporte de calor, ele explica. A primeira é a abordagem cinética de Boltzmann-Peierls e a segunda a abordagem de resposta linear de Green e Kubo. O primeiro pressupõe que o calor é transportado por quase-partículas conhecidas como fonons (que são os quanta que carregam ondas sonoras). Essas partículas têm energia e velocidade bem definidas e, nessa abordagem, a condutividade térmica é proporcional ao produto da velocidade do fônon e seu caminho livre médio (ou seja, a distância que ela percorre antes de refletir uma impureza ou outro fônon).
“Para que essa abordagem se aplique, no entanto, o caminho livre médio precisa ser muito maior que a distância média entre os átomos vizinhos, para que possamos definir e computar significativamente a velocidade do fônon”, explica Baroni. "Esse é o caso de sólidos cristalinos, mas não de vidros e sólidos desordenados em geral, ou mesmo de líquidos, para os quais o próprio conceito de quase partícula desce."
O método Green-Kubo, por sua vez, é, em princípio, aplicável a uma ampla gama de materiais, mas, na realidade, é extremamente ineficiente a temperaturas baixas e intermediárias (geralmente falando, abaixo da metade da temperatura de fusão de um material). E, embora, em teoria, possa explicar efeitos quânticos, nenhuma técnica prática está disponível para simular numericamente esses efeitos.
"Nossa nova abordagem unifica essas abordagens até então distintas na mesma metodologia aplicável a todos os sólidos - sejam cristalinos ou desordenados / vítreos", diz Baroni. "Na verdade, ele também funciona melhor em temperaturas no regime em que as implementações atuais da teoria de Green-Kubo falham".
A teoria de Green-Kubo da resposta linear
Em equilíbrio, um sistema não carrega corrente de calor em média, mas pequenas "oscilações" de corrente ocorrem devido a flutuações térmicas. “A teoria de Green-Kubo da resposta linear afirma que a condutividade térmica é proporcional ao produto do quadrado da magnitude (média) das flutuações atuais multiplicadas pelo tempo (médio) que leva para desaparecer”, explica Baroni. "As flutuações precisam desaparecer, caso contrário a energia térmica seria constante e não tremeluzia."
Normalmente, a teoria de Green-Kubo exige que as equações de movimento de um sistema modelo compreendendo várias centenas a alguns milhares de átomos sejam resolvidas (usando dinâmica molecular) por um tempo que varia de algumas centenas de picossegundos a alguns nanossegundos, diz ele. Quanto mais tempo leva para um sistema alcançar o equilíbrio, maior o tempo de simulação. E quanto menor a temperatura, mais ordenado é o sistema e mais tempo leva para o sistema chegar ao equilíbrio. É por isso que a dinâmica molecular de Green-Kubo não é o método de escolha para cristais ordenados a baixa temperatura e a abordagem de Boltzmann-Peierls é preferida - embora essa abordagem não se aplique a sistemas desordenados.
A aproximação harmônica
“Nossa metodologia evita essas dificuldades resolvendo analiticamente as equações de movimento (clássica ou mecânica quântica) na chamada aproximação harmônica, que é a base da teoria da dinâmica da rede, e significa que agora podemos simular efeitos quânticos em transporte térmico sem fazer uso da dinâmica molecular ”, explica Baroni. “A aproximação harmônica supõe que as forças que atuam nos átomos individuais sejam proporcionais aos seus deslocamentos das posições de equilíbrio mecânico que seriam apropriadas à temperatura zero.
“À medida que a magnitude desses deslocamentos diminui quando a temperatura diminui, essa aproximação se torna cada vez mais precisa à medida que a temperatura cai. Mostramos que a fórmula de Green-Kubo para a condutividade térmica pode ser analisada analiticamente dentro dessa aproximação e que produz os mesmos resultados que o método Boltzmann-Peierls no caso de um cristal perfeito. Mas também fornece felizmente resultados bem definidos para os óculos (para os quais a abordagem Boltzmann-Peierls não funcionaria). ”
Sólidos desordenados e cristalinos agora no mesmo pé
"Nosso esquema nos permite lidar com sólidos desordenados e cristalinos no mesmo pé pela primeira vez e com o mesmo nível de precisão", afirma. “Isso permitirá que cientistas e engenheiros entendam e projetem o transporte de calor para uma ampla gama de aplicações tecnológicas consideradas até agora inviáveis. Tais aplicações incluem: coleta de energia termoelétrica; resfriamento em estado sólido; isolamento térmico; e revestimentos de barreira térmica (todos os quais requerem condutividade térmica extremamente baixa); e gerenciamento de calor em eletrônicos de alta potência; pilhas; e energia fotovoltaica (todas as quais requerem alta condutividade térmica).
“Os materiais empregados nessas aplicações são nanoestruturados, policristalinos, altamente defeituosos ou até vítreos. Agora podemos estudá-los todos com alta precisão, dentro de uma estrutura unificada e praticável. ”
Os pesquisadores que relatam seu trabalho na Nature Communications 10.1038 / s41467-019-11572-4 , dizem que agora estarão procurando uma metodologia que permita tratar efeitos quânticos além da aproximação harmônica - ou seja, em temperaturas mais altas.
Fonte: Physic.Org / 02 Set 2019 Belle Dumé
Obrigado pela sua visita e volte sempre!
Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
Nenhum comentário:
Postar um comentário