Решением редколлегии журнала «Известия РАН. Механика твердого тела» от 20 декабря 2021 года статья «Термодинамика упругого материала с релаксирующим потоком тепла» (Известия РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 152-157.) признана лучшей статьей за 2020 г. В статье дается вывод уравнений, позволяющих исследовать с помощью вычислительного моделирования на компьютере интересное явление. Это появление в материале тепловой волны. Вывод уравнений осуществлен с из первого и второго законов термодинамики и требования сохранения их вида в любой инерциальной системе отсчета. В 2022 году осуществлено применение теории к конкретному явлению.

Необходимо сделать пояснение. Речь идет об использовании расширенной неравновесной термодинамики. В ней полагается, что изменение тепловых потоков не может произойти мгновенно вслед за изменением в материале поля температуры. Требуется некоторое время для перестройки тепловых потоков. Может произойти следующее. Поле температур уже изменилось. А тепловые потоки еще не успели перестроится. В результате на очень малых размерах в очень малые промежутки времени может происходить в материале передача тепла из холодных областей в горячие. Но это не может продолжаться долго. Появляются необычные явления, которые не рассматривает классическая теория. Второй закон термодинамики при этом выполняется. Невозможно построить вечный двигатель второго рода. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда будет меньше 100%.
Новизна нашей работы состоит в том, что получены определяющие уравнения для полимеров в высокоэластичном состоянии. Это сложные среды с нелинейными уравнениями, которые могут значительно удлиняться при растяжении (примером таких материалов являются резины). Вычислительные эксперименты позволили осуществить теоретический анализ теплового явления, которое может иметь место при обработке ионами азота полиуретанового материала. Ионы азота проникают в материал на глубину менее 100 нанометров. Обработка ионами азота осуществляется импульсами, которые длятся около 20 микросекунд. Между импульсами имеются промежутки времени. Вычисление позволили установить, при каких условиях сразу после завершения импульса появляется тепловая волна. Она отрывается от границы и уходит внутрь материала. Особенности теплового режима около поверхности материала должны отражаться на формировании углеродного слоя на границе. Учитывать это важно, например, когда требуется создать биосовместимый углеродный слой с заданной шероховатостью на поверхности полиуретанового имплантата.

 

Профили распределения температуры для разных моментов времени, построенные с интервалами
2 мкс при условии