Объяснен феномен нагревания при остывании

Математики предложили модель, описывающую необычное поведение так называемых гранулярных газов — состоящих из отдельных тел разреженных сред. При определенных условиях такое вещество увеличивает температуру при уменьшении полной энергии, хотя с привычными нам веществами все происходит наоборот. Это явление можно наблюдать как на Земле, так и в космосе. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Гранулярные газы — это разреженные среды, состоящие из частиц, намного превосходящих по размеру молекулы. Их примеры — это межзвездная пыль, вещество протопланетных дисков, кольца планет, аэрозоли в атмосфере Земли. Среди необычных для таких сред свойств можно назвать отрицательную теплоемкость. Это значит, что если у этих систем забирать тепло, их температура повышается.

«В средней школе нас учат, что температура — это мера средней энергии частиц: чем выше температура — тем больше энергия, — поясняет первый автор работы Николай Бриллиантов из Университет Лестера в Великобритании. — Если система теряет энергию, то температура должна падать. Удивительно, но это может быть неверно для гранулярных газов».

Авторы новой работы применяют обобщенные уравнения Смолуховского. Классические варианты этих выражений известны уже 100 лет и описывают слипание частиц и соответствующее изменение концентрации вещества. Разработанный учеными подход включает в рассмотрение и температуру. Эффект нагревания при остывании достигается за счет неочевидной связи между уменьшающейся вследствие неупругих рассеяний кинетической энергией частиц и постепенным уменьшением количества степеней свободы, вызванным их слипанием.

Теоретические выводы были подтверждены при помощи компьютерного моделирования. Также оказалось, что подобное необычное свойство должно наблюдаться для широкого класса вещества, но для этого необходимо, чтобы с ростом слипшихся агломератов увеличивалась сила притяжения между частицами. «Понимание различных режимов эволюции слипающихся гранулярных газов важно для того, чтобы объяснить целый ряд природных явлений с участием подобных сред», — подытоживает Бриллиантов.