انتقال حرارت در نانوپوسته های عایق کروی

در سال های اخیر انتقال گرما در نانوساختارها توجه بسیاری از محققین را به خود جلب نموده است. در حقیقت هنگامی که ابعاد مشخصه (و/یا زمان مشخصه گرمایش) سیستم با متوسط پویش آزاد فونون (و/یا زمان واهلش فونون) در سیستم قابل مقایسه باشد، قوانین کلاسیک انتقال حرارت اعتبار خود را از دست می دهند. به خصوص نشان داده شده است که هدایت گرمایی در این شرایط دیگر از معاله پخش فوریه تبعیت نمی کند. در این صورت برای تبیین صحیح انتقال انرژی باید از معادله بولتزمن استفاده کرد. این معادله بر اساس تغییر تابع توزیع فونون ها بر اثر برخوردهای مختلف فونون در محیط می باشد. در این تحقیق، ابتدا انتقال حرارت وابسته به زمان در یک تیغه نازک به کمک معادله انتقال بولتزمن مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس با بسط معادله انتقال بولتزمن در یک تقارن کروی، تحول زمانی انتقال حرارت در نانوپوسته های عایق کروی مورد کنکاش قرار گرفت. اثر پارمترهای مختلف مثل ضخامت پوسته و شعاع داخلی آن بر دینامیک دمای موضعی و شار گرمایی بررسی شد. نتایج حاصل از معادله کلاسیک فوریه انحراف قابل توجهی را نسبت به نتایج حاصل از معادله انتقال بولتزمن در ضخامت های کم (و/یا زمان های بسیار کوتاه) از خود نشان می دهد. در حالی که در ضخامت های بزرگ و زمان های طولانی معادله بولتزمن و معادلات کلاسیک نتایج یکسانی را نشان می دهند. مدل ارائه شده سپس جهت مطالعه سردشدگی نانوذرات هسته-پوسته شامل یک هسته ی فلزی از فلزات نجیب و یک پوسته ی دی الکتریک، تحت تابش لیزرهای پالسی فوق کوتاه مورد استفاده قرار گرفت. بدین منظور از مدل سه دمایی که بر اساس تبادل انرژی بین اجزای تشکیل دهنده ی نانوترکیب است، استفاده شد. در این مدل، انتقال گرما در پوسته تحت نظریه های مختلف در نظر گرفته شد. نتایج نشان می دهد که در زمان های بسیار کوتاه و یا ضخامت های کوچک، قانون کلاسیک فوریه نتایج کاملا متفاوتی را نسبت به معادله ی بولتزمن پیش بینی می کند. اما در زمان های طولانی و در پوسته های ضخیم، این دو نظریه دینامیک سردشدگی یکسانی را برای ذره پیش بینی می کنند.کلمات کلیدی: فونون، پویش آزاد میانگین، زمان واهلش، قانون فوریه، معادله انتقال حرارت بولتزمن، معادله گرمای سهموی، نانوذره، دینامیک سردشدگی، پالس لیزر با دوره فوق کوتاه.