Введение в нанотеплофизику, Дмитриев А.С., 2020

Введение в нанотеплофизику, Дмитриев А.С., 2020.
 
   Эта книга — одна из первых в мировой литературе монографий, посвященных тепловым процессам в наномасштаб-ных системах. Проанализированы классические и современные представления о теплофизике нанообъектов. Рассмотрены механизмы переноса тепла в различных наноструктурах, методы вычисления теплопроводности, в том числе в нанопроволоках и нанотрубках, нанокомпозитах и наножидкостях. Проведен анализ радиационного теплопереноса на наномасштабах. Особое внимание уделено роли межфазных границ и влиянию размерных (классических и квантовых) эффектов, приводящих к особенностям и аномалиям теплопереноса. Отражено современное состояние интенсивно развивающихся областей теплофизики — нанотермогидродинамики и нанотермоэлектричества.
Для студентов, аспирантов и специалистов в области физики твердого тела, нанонауки и нанотехнологий, физики и техники низких температур, энергетики и теплофизики.




Уравнения гидродинамики вязкой жидкости.
В реальных жидкостях всегда имеет место термодинамическая необратимость, связанная с наличием эффектов внутреннего трения (вязкости) и переноса тепла (теплопроводности). Понятно, что полученные ранее уравнения гидродинамики идеальной жидкости не содержат подобных эффектов (это относится только к уравнению Эйлера — уравнение неразрывности сохраняет свою силу).

Вывод уравнения для учета потерь от внутреннего трения основывается на следующих соображениях. Наличие внутреннего трения (вязкости) проявляется в наличии дополнительного (необратимого) переноса импульса из мест, где наблюдается движение жидкости с большей скоростью, в места с меньшей скоростью. Формально необходимо дополнить поток импульса для идеальной жидкости необратимым термом, имеющим физический смысл необратимого переноса импульса (диссипации). Аналогично рассмотрению моментов уравнения Больцмана и макроскопических переменных (см. разд. 1.3.6) можно получить уравнения гидродинамики вязкой жидкости.

Оглавление.
Введение.
Глава 1. Классическая теплофизика.
1.1. Объекты и методы классической теплофизики. Носители энергии и их основные свойства.
1.2. Классическая термодинамикам статистика.
1.2.1. Законы термодинамики.
1.2.2. Статистические функции распределения.
1.2.3. Вычисление термодинамических функций.
1.3. Перенос тепла в классической теплофизике.
1.3.1. Средняя длина свободного пробега в межмолекулярных взаимодействиях в газах и теплопроводность.
1.3.2. Перенос тепла в твердых диэлектриках. Фононная теплопроводность.
1.3.3. Перенос тепла в металлах.
1.3.4. Явления переноса: уравнение Больцмана.
1.3.5. Уравнение Больцмана и макроскопические переменные.
1.3.6. Теплопроводность: уравнение Фурье, уравнение Каттанео и их обобщение.
1.4. Уравнения гидродинамики вязкой жидкости.
1.5. Уравнения конвективного переноса тепла.
1.6. Размерные эффекты в классической термогидродинамике.
1.6.1. Теплопроводность в газе с учетом размерных эффектов.
1.6.2. Поток тепла в баллистическом режиме.
1.6.3. Переходы между режимами.
1.7. Радиационный перенос тепла.
1.7.1. Феноменологическое описание радиационного переноса тепла.
1.7.2. Рассеяние в диффузионной среде.
1.7.3. Электромагнитное происхождение теплового излучения.
1.8. Основные ограничения классической теплофизики и новые подходы.
Глава 2. Наномир и объекты нанотеплофизики.
2.1. Мир наномасштаба.
2.2. Объекты нанотеплофизики: наноструктуры и процессы в них.
2.2.1. Объекты нанотеплофизики.
2.3. Особенности теплофизики наномира.
2.3.1. Масштабные факторы в теплофизике.
2.3.2. Классические и квантовые размерные эффекты.
2.3.3. Роль объема и поверхности в процессах переноса тепла.
2.4. Экспериментальные методы изготовления наноструктур.
2.5. Методы экспериментального исследования термодинамических и кинетических явлений в наноструктурах.
2.5.1. Сканирующая тепловая микроскопия.
2.5.2. Зсо-техника.
2.5.3. Техника термического коэффициента отражения.
2.5.4. 2со-метод измерения тепловых свойств на наномасштабах.
Глава 3. Термодинамика наноструктур.
3.1. Носители энергии в конденсированных телах и газах.
3.2. Термодинамика наноструктур.
3.2.1. Понятие температуры.
3.2.2. Примеры важности определения температуры.
3.2.3. Понятие термодинамического среднего.
3.3. Внутренняя энергия и удельная теплоемкость наноструктур.
3.3.1. Теплоемкость наночастиц.
3.3.2. Теплоемкость нанопроволок.
3.4. Теплоемкость нанотрубок.
3.5. Удельная теплоемкость 2D-графена и 3D-графита.
3.6. Удельная теплоемкость одностенных пучков нанотрубок и многостенных нанотрубок.
3.7. Неуглеродные нанотрубки.
Глава 4. Кинетика переноса тепла в наноструктурах.
4.1. Особенности кинетики переноса тепла в наноструктурах.
4.1.1. Механизмы переноса тепла — наномасштабные факторы.
4.1.2. Некоторые характерные масштабы и режимы переноса тепла.
4.1.3. Пределы теплопереноса в наноструктурированных материалах.
4.1.4. Явления наномасштабного переноса тепла.
4.2. Общие методы кинетики переноса тепла в различных приближениях.
4.3. Формализм Ландауэра.
4.4. Уравнение Больцмана.
4.4.1. Введение.
4.4.2. Приближение времени релаксации.
4.4.3. «Серое» приближение для фононного уравнения Больцмана.
4.4.4. «Полусерое» приближение для фононного уравнения Больцмана.
4.4.5. Полностью дисперсионное приближение для фононного уравнения Больцмана.
4.4.6. Баллистически-диффузионное уравнение.
4.4.7. Методы Монте-Карло для уравнения Больцмана.
4.4.8. Уравнение Больцмана на решетке.
4.5. Методы молекулярной динамики.
4.5.1. Основные положения метода молекулярной динамики.
4.5.2. Формула Грина—Кубо.
4.5.3. Метод атомных функций Грина в кинетике переноса тепла.
4.6. Фононная гидродинамика.
Глава 5. Механизмы переноса тепла. Теплопроводность и теплопроводимость.
5.1. Теплопроводность в наноструктурах.
5.1.1. Фононы и их энергетический спектр.
5.1.2. Общие соотношения для теплопроводности.
5.1.3. Уравнение Больцмана для фононов.
5.2. Теплопроводность 1D-и квази-1D-наноструктур.
5.2.1. Общие положения.
5.2.2. Теплопроводность квазиодномерных наноструктур.
5.2.3. Модели теплопереноса в нанопроволоках и других квази-1D-структурах.
5.2.4. Теплоперенос в нанопроволоках с учетом сложности границы.
5.3. Теплоперенос в нанотрубках.
5.3.1. Получение и свойства нанотрубок.
5.3.2. Баллистический перенос тепла в одностенных углеродных нанотрубках.
5.3.3. Квазибаллистический теплоперенос в ОСУНТ.
5.3.4. Диффузионный перенос в одностенных углеродных нанотрубках.
5.3.5. Теплоперенос в многостенных углеродных нанотрубках.
5.3.6. Нарушение закона Фурье в нанотрубках.
5.4. Квантовый перенос тепла.
5.5. Теплопроводность 2D-наноструктур.
5.5.1. Общие свойства графена.
5.5.2. Теплопроводность графена.
5.5.3. Простая модель теплопроводности графена.
5.5.4. Теплопроводность нанослоев и пленок.
5.5.5. Теплопроводность наногетероструктур.
5.6. Пределы теплопроводности.
5.6.1. Нижний предел теплопроводности.
5.6.2. Верхний предел теплопроводности.
Глава 6. Граничное термосопротивление в наноструктурах.
6.1. Общие представления.
6.1.1. Термическая контактная проводимость и термическое сопротивление.
6.1.2. Диффузионное термическое стягивание (термическая контракция).
6.1.3. Баллистическое термическое сопротивление.
6.1.4. Общее термическое сопротивление.
6.1.5. Экспериментальное определение термического контактного сопротивления.
6.2. Вычисление граничного термосопротивления.
6.2.1. Модель акустического импеданса (АММ).
6.2.2. Модель диффузионного импеданса (DMM).
6.3. Термосопротивление в наноструктурах.
6.3.1. Общие свойства термических интерфейсных наноматериалов.
6.3.2. Модель теплопереноса через малую область контакта между телами.
6.3.3. Дифракционный предел в термической проводимости.
6.3.4. Модель цилиндрического контакта с плоской подложкой.
6.3.5. Контактное термосопротивление в различных режимах.
6.3.6. Контактное термосопротивление в баллистическом режиме (разные материалы).
6.3.7. Контактное термическое сопротивление для реальных поверхностей.
6.3.8. Одиночные связи.
6.3.9. Теплоперенос в мезоскопических структурах нанопроволока/нанотрубка-подложка.
6.4. Термосопротивление в наноструктурах. Мультисвязи.
6.4.1. Термическое контактное сопротивление в структурах нанотрубок.
6.4.2. Фононный теплоперенос через пересекающиеся нанотрубки (термосопротивление в узлах).
6.4.3. Фононный теплоперенос через компактные пеллеты пересекающихся нанотрубок.
6.4.4. Слабые и сильные связи в тепловых изоляционных материалах.
6.4.5. Термическое контактное сопротивление между структурами нанотрубок и другими нанообъектами.
6.5. Контактное термосопротивление в нановолокнах.
6.6. Термическое сопротивление в мезоструктурах. Вклад многократного отражения фононов.
6.6.1. Наноконтакт между двумя тепловыми резервуарами.
6.6.2. Наноконтакт между наноструктурой и полупространством.
6.6.3. Определение термического контактного сопротивления.
6.6.4. Эффективная неравновесная температура наноструктуры.
6.6.5. Соотношение для контактного сопротивления.
6.6.6. Многократное отражение фононов в наноструктурах.
6.6.7. Частично баллистический режим в термическом резервуаре.
6.7. Термическое контактное сопротивление на сетке случайных наноконтактов.
6.7.1. Термическое контактное сопротивление в случайно распределенных контактных точках.
6.7.2. Теплопроводность с изменением масштабов.
6.7.3. Контактная модель Арчарда.
6.8. Контактное термическое сопротивление в других наноинтерфейсах.
6.8.1. Нанокомпозитный интерфейс нанопроволоки Ag с полимером.
6.8.2. Наноинтерфейс на основе случайно расположенных нанотрубок.
Глава 7. Термогидродинамика на мезо- и наномасштабах.
7.1. Роль размерных эффектов в гидродинамике.
7.2. Число Кнудсена, кнудсеновский слой и особенности течений.
7.2.1. Медленное обтекание микросферы.
7.2.2. Экспериментальные результаты по обтеканию сферической частицы.
7.2.3. Аналитическое решение на основе уравнения Навье—Стокса.
7.2.4. Аналитическое решение из 13-моментного приближения Трэда.
7.2.5. Аналитическое решение на основе кинетической теории.
7.3. Кнудсеновский слой с учетом теплопереноса.
7.4. Гидродинамика и граничные условия.
7.4.1. Исторический экскурс в проблему прилипания и скольжения жидкости на поверхности твердого тела.
7.4.2. Базисная гидродинамическая теория.
7.4.3. Модель длины скольжения.
7.4.4. Экспериментальные методы.
7.4.5. Факторы, влияющие на длину скольжения.
7.4.6. Механизм скольжения.
7.5. Термогидродинамика со скольжением.
7.5.1. Течение между параллельными стенками.
7.5.2. Течение Пуазейля со скольжением.
7.5.3. Теплообмен с условием скольжения Навье.
7.5.4. Тепловые граничные условия.
7.6. Термогидродинамика на наноструктурированной поверхности.
7.6.1. Варианты определения длины скольжения.
7.6.2. Структурные масштабы.
7.6.3. Особенности скольжения на наноструктурированных поверхностях.
7.7. Термогидродинамика внутри наноструктур.
7.8. Некоторые специфические проблемы термогидродинамики наноструктур.
7.8.1. Образование нанопены при испарении жидкости из наноструктур.
7.8.2. Пористые мембраны на основе управляемой структуры нанотрубок.
Глава 8. Теплоперенос в нанокомпозитах и наножидкостях.
8.1. Теплоперенос в нанокомпозитах.
8.1.1. Общие представления.
8.1.2. Теплопроводность композитов: эффективная среда.
8.1.3. Кинетический подход к переносу в нанокомпозитах.
8.1.4. Модифицированные модели эффективной среды.
8.1.5. Нанокомпозиты: описание вне рамок эффективной среды.
8.1.6. Теплоперенос в нанокомпозитах с нерегулярной структурой.
8.1.7. Теплоперенос в напряженных нанокомпозитах.
8.1.8. Теплоперенос в нанокомпозитах, содержащих нанотрубки и нановолокна.
8.2. Теплоперенос в наножидкостях.
8.2.1. Основные свойства наножидкостей.
8.2.2. Теплопроводность наножидкостей.
8.2.3. Модели для описания теплопроводности наножидкостей.
8.2.4. Конвективный теплообмен в наножидкостях.
8.2.5. Теплообмен при кипении наножидкостей.
Глава 9. Нанотермогидродинамика поверхности.
9.1. Особенности наноструктурированных поверхностей.
9.1.1. Особенности природных мезо- и наноструктурированных поверхностей.
9.1.2. Искусственные супергидрофобные поверхности.
9.2. Теоретические модели смачивания.
9.2.1. Модель Юнга.
9.2.2. Модели для шероховатых поверхностей: Венцеля и Касси-Бакстера.
9.3. Современные модели смачивания супершероховатых поверхностей.
9.3.1. Обобщенная теория контактных углов на супершероховатых поверхностях.
9.3.2. Вычисление контактных углов.
9.4. Процессы на наношероховатых и супергидрофобных поверхностях.
9.4.1. Супергидрофобные поверхности с нанотрубками.
9.4.2. Супергидрофобные поверхности с наноструктурами.
9.5. Управление процессами смачиваемости на наношероховатых и супергидрофобных поверхностях.
9.5.1. Электросмачивание.
9.5.2. Тепловое управление режимами смачиваемости.
9.5.3. Управление электромагнитным излучением.
9.6. Физика кипения на наноструктурированных поверхностях.
9.6.1. Кипение в структуре нанопроволок.
9.6.2. Наноструктурированные микропористые поверхности.
9.6.3. Наноструктурированные функциональные поверхности.
Глава 10. Тепловое излучение в наноструктурах.
10.1. Наномасштабный радиационный теплоперенос.
10.2. Флуктуации электромагнитного поля и тепловой поток.
10.3. Когерентный и некогерентный радиационный перенос тепла.
10.4. Тепловое излучение наноструктур в дальней зоне.
10.5. Тепловое излучение наноструктур в ближней зоне.
10.5.1. Тепловое излучение наночастиц.
10.5.2. Тепловое излучение между двумя наночастицами.
10.5.3. Тепловое излучение в ближнем поле с плоской поверхности.
10.5.4. Тепловое излучение через малый вакуумный зазор.
10.5.5. Тепловое излучение на малых масштабах: некоторые эксперименты.
10.6. Резонансное туннелирование и увеличение теплового потока.
10.6.1. Механизм фотонного туннелирования.
10.6.2. Индуцирование поверхностными поляритонами пространственной когерентности.
10.6.3. Микроскопические и макроскопические уравнения Максвелла.
10.7. Некоторые задачи наномасштабного радиационного теплообмена.
10.7.1. Локальный нагрев поверхности и реакция острия сканирующего туннельного микроскопа.
10.7.2. Теплообмен между двумя наночастицами.
10.8. Экспериментальные исследования радиационного теплообмена.
10.8.1. Радиационный теплообмен между двумя стеклянными (диэлектрическими) параллельными пластинами.
10.8.2. Радиационный теплообмен между сферой и подложкой.
10.8.3. Радиационный теплообмен между двумя параллельными металлическими пластинами.
10.9. Термофотовольтоника в ближнем поле.
Глава 11. Нанотермоэлектричество.
11.1. Введение в термоэлектричество.
11.1.1. Основные понятия.
11.1.2. Термоэлектрические свойства стандартных материалов.
11.1.3. Эффективность термоэлектрического преобразования.
11.1.4. Теоретические основы термоэлектрического преобразования.
11.1.5. Термоионные системы и преобразователи.
11.2. Термоэлектричество наноразмерных систем.
11.2.1. Термоэлектрический перенос в низкоразмерных системах.
11.2.2. Термоэлектрические наноматериалы.
11.2.3. Термоэлектрические материалы — стратегия на будущее.
11.3. Термоэлектрические модули и их применение.
Список литературы.

Купить .





Теги: учебник по нанотехнологии :: нанотехнология :: Дмитриев