Тепловые и звуковые волны в твердых телах могут приводить в движение двигатели, холодильники

Твердое вещество может служить средой для взаимодействия тепловых и звуковых волн, подобно тому, как жидкость используется в термоакустических двигателях и холодильниках, что приводит к созданию бесконтактных машин продолжительного действия.

Исследователи из Университетов Пердью и Нотр-Дам впервые продемонстрировали, что термоакустика теоретически может возникать как в твердых телах, так и в жидкостях.

«Несмотря на то, что эта технология еще в зачаточном состоянии, она может быть особенно эффективна в суровых условиях, например в космосе, где возможны сильные колебания температуры и сбои системы могут поставить под угрозу общую миссию», – сказал Фабио Семперлотти, помощник профессора из университета Пердью.

Термоакустика была хорошо изучена в жидкостях – будь то газ или жидкое вещество. «Применение тепла к жидкости, заключенной в канал или полость, вызовет спонтанное возбуждение звуковых волн, распространяющихся в самой жидкости», – сказал Карло Скало, доцент Пердью в области машиностроения.

Исторически, для этих систем использовались жидкости, но в поисках решений по предотвращению утечек, исследователи начали рассматривать твердые тела в качестве замены жидкости.

«Свойства твердых веществ более контролируемы, что может сделать их потенциально более интересными, чем жидкости. Нам нужно было сначала убедиться в том, что это явление теоретически может существовать в твердых средах», – сказал Гаитянь Хао, аспирант Пердью в области машиностроения.

Термоакустика позволяет превращать либо отработанное тепло, либо механические колебания в другие полезные формы энергии. Для холодильников звуковые волны создают температурный градиент – горячий и холодный.

Двигатели используют противоположный процесс: градиент температуры, обеспечиваемый отработанным теплом, приводит к механическим колебаниям.

Твердотельная термоакустика изначально казалась маловероятной, так как твердые вещества более «стабильны», чем жидкости, и имеют тенденцию легче рассеивать механическую энергию, что затрудняет генерирование звуковых волн.

Исследователи разработали теоретическую модель, демонстрирующую, что тонкий металлический стержень может проявлять самоподдерживающиеся механические колебания, если температурный градиент периодически применяют к разным частям стержня. Эта сбалансированная нежелательная механическая диссипация энергии и показала, что, подобно жидкостям, твердые вещества сжимаются, когда они остывают и расширяются, когда они нагреваются. Если твердое вещество сокращается при охлаждении и при нагревании расширяется, результирующее движение будет увеличиваться с течением времени.

Твердые вещества также могут быть применены для достижения необходимых свойств и характеристик термоакустики. «Жидкости не позволяют нам это делать», – сказал Семперлотти.

Крайние температурные различия в космосе были бы идеальны для генерирования механических колебаний, которые затем преобразуются в электрическую энергию на космических аппаратах.

«Твердотельное устройство будет использовать солнце в качестве источника тепла и глубокий космос как холодный источник», – сказал Семперлотти. «Эти системы могут работать бесконечно, учитывая, что они не имеют каких-либо движущихся частей или жидкости».

Исследователям все еще необходимо завершить экспериментальную установку для подтверждения этой идеи и лучшего понимания термоакустики твердых тел, которая была обнаружена с помощью математических расчетов и моделирования.

«Возможные применения и производительность этих устройств по-прежнему находятся в теоретической стадии», – сказал Семперлотти. «Но явление существует, и у него есть потенциал, чтобы открыть новые замечательные возможности для проектирования термоакустических устройств». опубликовано econet.ru  Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet