Введение в нанотеплофизику

Description

Оглавление......Page 4 Введение......Page 10 1.1. Объекты и методы классической теплофизики. Носители энергии и их основные свойства......Page 16 1.2.2. Статистические функции распределения......Page 18 1.2.3. Вычисление термодинамических функций......Page 21 1.3.1. Средняя длина свободного пробега в межмолекулярных взаимодействиях в газах и теплопроводность......Page 31 1.3.2. Перенос тепла в твердых диэлектриках. Фононная теплопроводность......Page 33 1.3.4. Явления переноса: уравнение Больцмана......Page 36 1.3.5. Уравнение Больцмана и макроскопические переменные......Page 38 1.3.6. Теплопроводность: уравнение Фурье, уравнение Каттанео и их обобщение......Page 39 1.4. Уравнения гидродинамики вязкой жидкости......Page 43 1.5. Уравнения конвективного переноса тепла......Page 44 1.6.1. Теплопроводность в газе с учетом размерных эффектов......Page 47 1.6.2. Поток тепла в баллистическом режиме......Page 48 1.6.3. Переходы между режимами......Page 50 1.7. Радиационный перенос тепла......Page 52 1.7.1. Феноменологическое описание радиационного переноса тепла......Page 53 1.7.2. Рассеяние в диффузионной среде......Page 55 1.8. Основные ограничения классической теплофизики и новые подходы......Page 58 2.1. Мир наномасштаба......Page 60 2.2.1. Объекты нанотеплофизики......Page 61 2.3. Особенности теплофизики наномира......Page 68 2.3.2. Классические и квантовые размерные эффекты......Page 72 2.4. Экспериментальные методы изготовления наноструктур......Page 77 2.5.1. Сканирующая тепловая микроскопия......Page 82 2.5.2. 3ω-техника......Page 86 2.5.4. 2ω-метод измерения тепловых свойств на наномасштабах......Page 89 3.2. Термодинамика наноструктур......Page 91 3.2.1. Понятие температуры......Page 92 3.2.3. Понятие термодинамического среднего......Page 94 3.3.1. Теплоемкость наночастиц......Page 95 3.3.2. Теплоемкость нанопроволок......Page 100 3.4. Теплоемкость нанотрубок......Page 107 3.5. Удельная теплоемкость 2D-графена и 3D-графита......Page 109 3.6. Удельная теплоемкость одностенных пучков нанотрубок и многостенных нанотрубок......Page 112 3.7. Неуглеродные нанотрубки......Page 114 4.1. Особенности кинетики переноса тепла в наноструктурах......Page 116 4.1.1. Механизмы переноса тепла — наномасштабные факторы......Page 117 4.1.2. Некоторые характерные масштабы и режимы переноса тепла......Page 120 4.1.3. Пределы теплопереноса в наноструктурированных материалах......Page 126 4.1.4. Явления наномасштабного переноса тепла......Page 132 4.2. Общие методы кинетики переноса тепла в различных приближениях......Page 136 4.3. Формализм Ландауэра......Page 139 4.4.1. Введение......Page 143 4.4.2. Приближение времени релаксации......Page 146 4.4.3. «Серое» приближение для фононного уравнения Больцмана......Page 148 4.4.4. «Полусерое» приближение для фононного уравнения Больцмана......Page 151 4.4.5. Полностью дисперсионное приближение для фононного уравнения Больцмана......Page 152 4.4.6. Баллистически-диффузионное уравнение......Page 154 4.4.7. Методы Монте-Карло для уравнения Больцмана......Page 162 4.4.8. Уравнение Больцмана на решетке......Page 163 4.5.1. Основные положения метода молекулярной динамики......Page 164 4.5.2. Формула Грина–Кубо......Page 170 4.5.3. Метод атомных функций Грина в кинетике переноса тепла......Page 173 4.6. Фононная гидродинамика......Page 175 5.1. Теплопроводность в наноструктурах......Page 180 5.1.1. Фононы и их энергетический спектр......Page 181 5.1.3. Уравнение Больцмана для фононов......Page 182 5.2.1. Общие положения......Page 184 5.2.2. Теплопроводность квазиодномерных наноструктур......Page 186 5.2.3. Модели теплопереноса в нанопроволоках и других квази- 1D-структурах......Page 188 5.2.4. Теплоперенос в нанопроволоках с учетом сложности границы......Page 214 5.3.1. Получение и свойства нанотрубок......Page 232 5.3.2. Баллистический перенос тепла в одностенных углеродных нанотрубках......Page 235 5.3.3. Квазибаллистический теплоперенос в ОСУНТ......Page 238 5.3.4. Диффузионный перенос в одностенных углеродных нанотрубках......Page 242 5.3.5. Теплоперенос в многостенных углеродных нанотрубках......Page 243 5.3.6. Нарушение закона Фурье в нанотрубках......Page 247 5.4. Квантовый перенос тепла......Page 251 5.5. Теплопроводность 2D-наноструктур......Page 262 5.5.1. Общие свойства графена......Page 263 5.5.2. Теплопроводность графена......Page 265 5.5.3. Простая модель теплопроводности графена......Page 269 5.5.4. Теплопроводность нанослоев и пленок......Page 271 5.5.5. Теплопроводность наногетероструктур......Page 285 5.6. Пределы теплопроводности......Page 291 5.6.1. Нижний предел теплопроводности......Page 292 5.6.2. Верхний предел теплопроводности......Page 293 Глава 6. Граничное термосопротивление в наноструктурах......Page 295 6.1.1. Термическая контактная проводимость и термическое сопротивление......Page 296 6.1.2. Диффузионное термическое стягивание (термическая контракция)......Page 298 6.1.3. Баллистическое термическое сопротивление......Page 300 6.1.5. Экспериментальное определение термического контактного сопротивления......Page 301 6.2.1. Модель акустического импеданса (AMM)......Page 302 6.2.2. Модель диффузионного импеданса (DMM)......Page 306 6.3. Термосопротивление в наноструктурах......Page 310 6.3.1. Общие свойства термических интерфейсных наноматериалов......Page 311 6.3.2. Модель теплопереноса через малую область контакта между телами......Page 320 6.3.3. Дифракционный предел в термической проводимости......Page 322 6.3.4. Модель цилиндрического контакта с плоской подложкой......Page 326 6.3.5. Контактное термосопротивление в различных режимах......Page 330 6.3.6. Контактное термосопротивление в баллистическом режиме (разные материалы)......Page 332 6.3.7. Контактное термическое сопротивление для реальных поверхностей......Page 334 6.3.8. Одиночные связи......Page 336 6.3.9. Теплоперенос в мезоскопических структурах нанопроволока / нанотрубка–подложка......Page 339 6.4.1. Термическое контактное сопротивление в структурах нанотрубок......Page 343 6.4.2. Фононный теплоперенос через пересекающиеся нанотрубки (термосопротивление в узлах)......Page 344 6.4.3. Фононный теплоперенос через компактные пеллеты пересекающихся нанотрубок......Page 347 6.4.4. Слабые и сильные связи в тепловых изоляционных материалах......Page 350 6.4.5. Термическое контактное сопротивление между структурами нанотрубок и другими нанообъектами......Page 354 6.5. Контактное термосопротивление в нановолокнах......Page 356 6.6. Термическое сопротивление в мезоструктурах. Вклад многократного отражения фононов......Page 359 6.6.1. Наноконтакт между двумя тепловыми резервуарами......Page 361 6.6.2. Наноконтакт между наноструктурой и полупространством......Page 362 6.6.4. Эффективная неравновесная температура наноструктуры......Page 363 6.6.6. Многократное отражение фононов в наноструктурах......Page 365 6.6.7. Частично баллистический режим в термическом резервуаре......Page 366 6.7.1. Термическое контактное сопротивление в случайно распределенных контактных точках......Page 368 6.7.2. Теплопроводность с изменением масштабов......Page 369 6.7.3. Контактная модель Арчарда......Page 370 6.8.1. Нанокомпозитный интерфейс нанопроволоки Ag с полимером......Page 371 6.8.2. Наноинтерфейс на основе случайно расположенных нанотрубок......Page 374 Глава 7. Термогидродинамика на мезо- и наномасштабах......Page 378 7.1. Роль размерных эффектов в гидродинамике......Page 380 7.2. Число Кнудсена, кнудсеновский слой и особенности течений......Page 382 7.2.1. Медленное обтекание микросферы......Page 387 7.2.3. Аналитическое решение на основе уравнения Навье–Стокса......Page 388 7.2.5. Аналитическое решение на основе кинетической теории......Page 389 7.3. Кнудсеновский слой с учетом теплопереноса......Page 390 7.4. Гидродинамика и граничные условия......Page 393 7.4.1. Исторический экскурс в проблему прилипания и скольжения жидкости на поверхности твердого тела......Page 394 7.4.2. Базисная гидродинамическая теория......Page 397 7.4.3. Модель длины скольжения......Page 399 7.4.4. Экспериментальные методы......Page 401 7.4.5. Факторы, влияющие на длину скольжения......Page 410 7.5. Термогидродинамика со скольжением......Page 411 7.5.1. Течение между параллельными стенками......Page 412 7.5.2. Течение Пуазейля со скольжением......Page 414 7.5.3. Теплообмен с условием скольжения Навье......Page 417 7.5.4. Тепловые граничные условия......Page 422 7.6.1. Варианты определения длины скольжения......Page 424 7.6.2. Структурные масштабы......Page 427 7.6.3. Особенности скольжения на наноструктурированных поверхностях......Page 428 7.7. Термогидродинамика внутри наноструктур......Page 440 7.8.1. Образование нанопены при испарении жидкости из наноструктур......Page 448 7.8.2. Пористые мембраны на основе управляемой структуры нанотрубок......Page 451 8.1.1. Общие представления......Page 454 8.1.2. Теплопроводность композитов: эффективная среда......Page 455 8.1.3. Кинетический подход к переносу в нанокомпозитах......Page 463 8.1.4. Модифицированные модели эффективной среды......Page 466 8.1.5. Нанокомпозиты: описание вне рамок эффективной среды......Page 469 8.1.6. Теплоперенос в нанокомпозитах с нерегулярной структурой......Page 480 8.1.7. Теплоперенос в напряженных нанокомпозитах......Page 482 8.1.8. Теплоперенос в нанокомпозитах, содержащих нанотрубки и нановолокна......Page 487 8.2.1. Основные свойства наножидкостей......Page 496 8.2.2. Теплопроводность наножидкостей......Page 498 8.2.3. Модели для описания теплопроводности наножидкостей......Page 503 8.2.4. Конвективный теплообмен в наножидкостях......Page 514 8.2.5. Теплообмен при кипении наножидкостей......Page 518 9.1. Особенности наноструктурированных поверхностей......Page 529 9.1.1. Особенности природных мезо- и наноструктурированных поверхностей......Page 531 9.1.2. Искусственные супергидрофобные поверхности......Page 536 9.2. Теоретические модели смачивания......Page 539 9.2.1. Модель Юнга......Page 540 9.2.2. Модели для шероховатых поверхностей: Венцеля и Касси–Бакстера......Page 541 9.3.1. Обобщенная теория контактных углов на супершероховатых поверхностях......Page 548 9.3.2. Вычисление контактных углов......Page 553 9.4. Процессы на наношероховатых и супергидрофобных поверхностях......Page 558 9.4.1. Супергидрофобные поверхности с нанотрубками......Page 559 9.4.2. Супергидрофобные поверхности с наноструктурами......Page 560 9.5. Управление процессами смачиваемости на наношероховатых и супергидрофобных поверхностях......Page 562 9.5.1. Электросмачивание......Page 564 9.5.2. Тепловое управление режимами смачиваемости......Page 570 9.5.3. Управление электромагнитным излучением......Page 572 9.6. Физика кипения на наноструктурированных поверхностях......Page 578 9.6.1. Кипение в структуре нанопроволок......Page 581 9.6.2. Наноструктурированные микропористые поверхности......Page 587 9.6.3. Наноструктурированные функциональные поверхности......Page 594 10.1. Наномасштабный радиационный теплоперенос......Page 601 10.2. Флуктуации электромагнитного поля и тепловой поток......Page 608 10.3. Когерентный и некогерентный радиационный перенос тепла......Page 613 10.4. Тепловое излучение наноструктур в дальней зоне......Page 615 10.5.1. Тепловое излучение наночастиц......Page 616 10.5.2. Тепловое излучение между двумя наночастицами......Page 618 10.5.3. Тепловое излучение в ближнем поле с плоской поверхности......Page 620 10.5.4. Тепловое излучение через малый вакуумный зазор......Page 624 10.5.5. Тепловое излучение на малых масштабах: некоторые эксперименты......Page 628 10.6. Резонансное туннелирование и увеличение теплового потока......Page 629 10.6.1. Механизм фотонного туннелирования......Page 633 10.6.2. Индуцирование поверхностными поляритонами пространственной когерентности......Page 634 10.6.3. Микроскопические и макроскопические уравнения Максвелла......Page 637 10.7.1. Локальный нагрев поверхности и реакция острия сканирующего туннельного микроскопа......Page 638 10.7.2. Теплообмен между двумя наночастицами......Page 640 10.8.1. Радиационный теплообмен между двумя стеклянными (диэлектрическими) параллельными пластинами......Page 643 10.8.2. Радиационный теплообмен между сферой и подложкой......Page 646 10.8.3. Радиационный теплообмен между двумя параллельными металлическими пластинами......Page 649 10.9. Термофотовольтоника в ближнем поле......Page 650 11.1.1. Основные понятия......Page 654 11.1.2. Термоэлектрические свойства стандартных материалов......Page 656 11.1.3. Эффективность термоэлектрического преобразования......Page 658 11.1.4. Теоретические основы термоэлектрического преобразования......Page 659 11.1.5. Термоионные системы и преобразователи......Page 663 11.2. Термоэлектричество наноразмерных систем......Page 668 11.2.1. Термоэлектрический перенос в низкоразмерных системах......Page 669 11.2.2. Термоэлектрические наноматериалы......Page 679 11.2.3. Термоэлектрические материалы — стратегия на будущее......Page 715 11.3. Термоэлектрические модули и их применение......Page 731 Список литературы......Page 739