Гранулированные газы — это системы, содержащие макроскопические частицы с низкой плотностью. Примеры включают космическую пыль, кольца вокруг планет Сатурна, Урана и Нептуна, а также облака пыли на Земле. По сути, их можно описать как молекулярные газы, такие как гелий, но с одним важным отличием — гранулированные частицы не сталкиваются упруго. «В изолированных гранулированных газах без подвода внешней энергии кинетическая энергия частиц постоянно уменьшается из-за столкновений, поэтому температура гранул также уменьшается», — объясняет профессор д-р Торстен Пошель с кафедры многомасштабного моделирования систем твердых частиц в FAU. «Этот закон охлаждения, также известный как закон Хаффа, известен с 1983 года и является одним из ключевых результатов кинетики гранулированных газов».Адгезия меняет свойства
Однако закон гранулированного охлаждения Хаффа не учитывает один аспект. Различные силы, такие как поверхностная адгезия или электростатический заряд, заставляют частицы прилипать друг к другу в системах с очень маленькими частицами размером всего несколько микрометров. «Частицы растут, и их свойства меняются из-за этой агрегации.
В то же время их количество в системе уменьшается, и, следовательно, количество степеней свободы для движения частиц также уменьшается », — объясняет д-р Торсен Пошель. «Наша гипотеза заключалась в том, что из-за этого температура гранулята может временно повыситься, даже если механическая энергия теряется при каждом столкновении».Новые методы моделирования более подробно рассматривают старый законПошель и его коллеги физик Николай В. Бриллиантов из Университета Лестера (Великобритания) и ученый-компьютерщик Арно Формелла из Университета Виго (Испания) смогли доказать существование этого противоречащего интуиции эффекта в сложных моделях.
Для этого исследователи использовали и разработали известные методы, такие как аналитическая математика кинетики свойств газа и метод Монте-Карло — стохастический метод, основанный на теории вероятностей. Пошель объясняет: «Используя новую систему кинетических уравнений и соответствующие методы масштабирования, мы впервые смогли достоверно изобразить динамику агрегатов частиц в гранулированных газах.
Мы никоим образом не пересматривали закон Хаффа, но мы смогли продемонстрировать важный эффект, который до сих пор игнорировался ».Выводы ученых могут помочь лучше понять основные свойства гранулированных газов, таких как агломерация сажи в дымовых газах на Земле или астрофизические явления, такие как космическая пыль в планетных кольцах в космосе.