Twee richtingen, verschillende warmtegeleiding?

[Bozozo]

Ik studeer Natuurkunde aan de TU/e en ik kreeg een idee naar aanleiding van een 'interesse-opwekkend' college over nano-technologie, en de nogal hoge temperatuur op mijn kamer vandaag. Nu wil ik er niet meteen mee naar een professor stappen, want waarschijnlijk zijn er eenvoudige bezwaren tegen mijn idee, die ik over het hoofd zie omdat ik nog weinig feitenkennis heb over wat wel- en niet werkt op nano-niveau.

Goed, het idee. Het begon eigenlijk met koolstof nanobuisjes. Deze buisjes zou je volgens mij als moleculaire hefboom moeten kunnen gebruiken. Door ze netjes te rangschikken, met een zwaar molecuul aan één uiteinde, moet je dan een stof kunnen maken die trillingen (en dus warmte) in de ene richting beter geleidt dan in de andere richting.

Grafische toelichting (Ja, in Paint, maar dat volstaat nu even):

Scheikunde ben ik grotendeel vergeten, maar volgens mij kun je wel flexibele bindingen realiseren met waterstofbruggen of zwavelbruggen of iets in die richting. De starre bindingen zouden ionbindingen of gewoon atoombindingen kunnen zijn. Het zware molecuul kan bijvoorbeeld een klompje silicium zijn.

Als je deze combinatie van moleculen (stel je even een driedimensionale versie voor, gewoon als een grote zaal met zuilen) aan de onderkant zou verhitten, gebeurt er volgens mij dit:

Door de traagheidsmomentjes van alle buisjes met hun zware uiteinde, zal de trilling van het onderste molecuul maar in beperkte mate worden doorgegeven naar boven. Door voldoende buisjes boven elkaar te stapelen zou je dan zelfs een zeer goede isolator kunnen maken, maar dan wordt het materiaal wel erg zwak vanwege de lange serie zwakke bindingen.

Ik had even geen zin meer om de warmtegeleiding de andere kant op ook grafisch uit te beelden, maar het moge duidelijk zijn dat het traagheidsmoment van de buisjes veel kleiner is als de trillingen (warmte) van boven naar onder moeten worden doorgegeven.

Volgens mij heb je nu dus een stof die beter warmte van boven naar onder geleidt dan andersom. Zo'n stof zou heel handig zijn om 's zomers kamers mee te isoleren: 's nachts kan de warmte eruit maar overdag komt de warmte er niet in. Er zijn nog veel meer toepassingen denkbaar, denk aan warmtewisselaars etc.

Nu is mijn vraag eigenlijk welke bezwaren er tegen dit ontwerp zijn. Misschien is het veel te duur om dit materiaal te maken, of valt het uit elkaar bij een zuchtje wind. Bovendien weet ik niet in hoeverre traagheidsmomenten een rol spelen op nano- of microschaal.

Dus, zijn er hier natuurkundigen (in spe) of chemici of hobbyisten die me verder kunnen helpen? Voel je vrij om mijn idee tot de grond toe af te branden, want ik heb zo'n vermoeden dat ik iets over het hoofd zie.

PS: dit onderwerp is weliswaar heel anders dan andere topics in dit forum, maar ik wilde mijn ei graag kwijt en volgens mij is dit in ieder geval op tweakers de beste plek.

[Anoniem: 124325]

Bozozo schreef op zondag 18 juni 2006 @ 16:02:
. . . .]leuk vraagstuk: warmte transport in 1 richting]. . . Door ze [de buisjes] netjes te rangschikken, met een zwaar molecuul aan één uiteinde, moet je dan een stof kunnen maken die trillingen (en dus warmte) in de ene richting beter geleidt dan in de andere richting.

Waar je over spreekt is feitelijk een semiconductor voor warmte transport. Een prachtig idee(als het nog niet bestaat in de vorm waar jij naar zoekt). Als het nog niet bestaat lijkt het mij een moeilijke opgave omdat dit vraagstuk niet nieuw is en op andere manieren wel mogelijk is. Het is bijvoorbeel ook een gewenst toepassing voor straling die in 1 richting wel en in de andere richting niet goed doorlaat. Er zijn materialen die onder een active "manpulatie" stralingsdoorgave blokeren(bijv. liquid crystals in LCD schermen). Waar jij kennelijk naar zoekt is dat dit proces ook thermisch passief werkt met nano structuren

Als ik je begrijp wil je dat vanuit de zware moleculen er wel een goede warmtetransport is en vanuit de lichte moleculen het materiaal zich als een isolatiemateriaal gedraagt (Jij stelt het even later net andersom, of ik heb je verkeerd begrepen). Je moet je dus afvragen hoe je voorkomt dat deze trilling van lichte moluculen(waar de hitte aangebracht is) niet doorgegeven wordt. Een mechanisch model waar ik aan dacht is de wielophanging van een auto(specifiek een raceauto). In effect zoek je een constructie welke op veel plaatsen gebruikt wordt in "trillings isolatie" zoals dat in machine montage gebruikt wordt en in het isoleren van gebouwen om ze tegen aardschokken te beschermen.
In effect, als je een een zware massa op veren opstelt heb je wat je wilt bereiken(kwa model dan). Of je dat met je bedoelde nanobuisjes kan bereiken gaat me even te ver maar het idee is wel interessant.

Waar je problemen mee kan krijgen is dat je frequentie gevoelige warmtetransportweerstand krijgt omdat je over trillingen van moleculen spreekt: op bepaalde frequenties ontstaat resonantie en dan gaan de zware moleculen wel trillen en krijg je dus een hoge warmtedoorstroming. Je zou er dus voor moeten zorgen dat voor een bepaalde applicatie er geen resonantie kan optreden. . .dan wel dat je bedoelde contructie niet freqentie gevoelig is (sterke damping voor de resonantie frequenties).
Het idee van een schokbreker kan je misschien bij betrekken.

Een ander model voor je is de "heat pipe". Het is een prachtig voorbeeld waarin warmtetransport in 1 richting al zeer effectief gerealiseerd is. Precies wat je wilt! Vanwege het feit dat de warmtetransport geschiedt door middel van verdamping van vloeistof kan de warmte niet van de condensor naar de evaporator stromen. Andersom juist wel. Een prachtig middel om warmtetransport in 1 richting mischien wel 20 keer zo groot te krijgen dan een koperen staaf en in de andere richting is het een isolatie materiaal!

Zo, in effect, als je het materiaal opbouwd uit duizenden "little heat pipes" dan heb je precies waar je naar zoekt.. . .het is dan wel gevoelig voor richting van de opstelling omdat de vloeistof door zwaartekracht (en ook door capilaire actie) naar beneden stroomt. Tot op een bepaalde graad kan je de vloeistof door capilaire actie ook naar boven pompen maar dat is veel minder effectief omdat het tegen de zwaartekracht moet opboxen.


Misschien heb je iets aan deze ideeen.

Nano heat pipes??????
Zelf nog nooit van gehoord maar misschien is het een idee voor je.
Ik ga ff op Google zoeken of het nano heat pipe idee al bestaat.

PS:
Na je argument nog eens gelezen te hebben stel je inderdaad dat vanuit de verwarmde kant de warmte wel zal worden doorgelaten. Ik denk dat je argument, als het op massatraagheid berusts zal functioneren zoals ik het voorstelde: als aan de hete kant de moleculen wel gaan trillen (lage massatraagheid) en vanwege een moleculaire veer constructie (ik noem het maar even zo) zal de grotere massa niet gemakkelijk in beweging worden gezet. Maar om louter beweging in beschouwing te nemen is niet genoeg voor het trillingsmodel: het gaat ook om de inkomende energie intensiteit: als je de zware moleculen verhit nemem ze wel energie op en hoe voorkom je dan dat deze energie doorstroomt?

Met het heatpipe model heb je dit vraagstuk niet.

Kijk eens op

http://www.google.nl/sear...&btnG=Google+zoeken&meta=

[ Voor 26% gewijzigd door Anoniem: 124325 op 18-06-2006 17:30 ]

[Bozozo]

Resonantie zou inderdaad een probleem zijn - of misschien juist een zegen als je op zoek bent naar goede geleiding, maar dan kun je net zo goed een koperen plaat gebruik natuurlijk

Het zou volgens mij eenvoudig tegen te gaan zijn door de 'nanopilaartjes' van verschillende lengte te maken, zodat ze nooit allemaal tegelijk zullen resoneren.

Heat pipes kunnen inderdaad warmte één kant op geleiden, maar heatpipes zijn altijd groter dan mijn voorgestelde materiaal omdat ze hun inhoud over enige ruimte moeten verplaatsen. Bovendien werken ze alleen bij vooraf bepaalde temperatuursovergangen, omdat er een gas moet verdampen en weer condenseren. Mijn 'veertjes' zouden in principe bij elke temperatuur moeten werken, zij het met een bovengrens (als de flexibele bindingen breken).

Verder is de demping niet gebaseerd op trillingsdemping door middel van veren. Dit zou immers twee kanten op werken. Het idee zit hem in de hefboomwerking van de nanobuisjes: het traagheidsmoment van een pilaartje is groter als er aan de lichte zijde een trilling wordt aangebracht. Hierdoor kost het dus meer energie om warmte te verplaatsen van onder naar boven (in mijn tekening) dan van boven naar onder.

Voor het geval je het traagheids-idee niet helemaal te pakken hebt: vergelijk het met een bezem hooghouden. Als je de steel op je handpalm zet kun je de bezem overeind houden doordat het 'omvallen' tijd nodig heeft. Zet je echter het harige einde in je hand (zonder te klemmen) dan valt de bezem meteen om.
erg overdreven Jip-en-Janneke verhaaltje maar je begrijpt wat ik bedoel

edit: in de onderzoeken die je aanhaalt wordt niet van deze specifieke structuur uit gegaan. Anders is het enorm balen natuurlijk, maar het was eigenlijk te verwachten

[ Voor 7% gewijzigd door Bozozo op 18-06-2006 17:46 ]

[Confusion]

Wat je technisch gezien wilt is een materiaal maken met een phonon-dispersierelatie die afhangt van de richting waarin het phonon zich voortplant. Hoewel ik me niet voor de geest kan halen welke symmetrie je moet breken om de ontaarding van die richtingen op te heffen, lijkt het me bijzonder moeilijk.

Los daarvan: heb je niet een probleem met de tweede hoofdwet van de thermodynamica? Je kan in principe geen automagisch warmtetransport tussen reservoirs met dezelfde temperatuur laten plaatsvinden: dat zou de entropie verlagen. Als je een temperatuursverschil tussen de twee reservoirs hebt, dan heb je geen richtingsafhankelijke warmtegeleidingscoefficient meer nodig: de warmte stroomt dan toch van warm naar koud.

[ Voor 4% gewijzigd door Confusion op 18-06-2006 20:25 ]

[MSalters]

De hoofdwet lijkt me an sich geen probleem als er sprake is van een grotere of kleinere warmtestroom, zolang de richting maar overeenkomt met het temperatuursverschil. Daaruit volgt ook dat geen temperatuursverschil impliceert dat er geen warmtestroom is.

Het enige probleem is dat de hele redenatie fout is. Nano-nivo is wel relevant, maar alle thermofysica werkt op dat nivo. Elk molecuul heeft een energie van n/2 k T waarbij n het aantal vrijheidsgraden is. n > 2, want de eerste twee vrijheidsgraden zijn de bewegingsvrijheden haaks op de geleidingsrichting. (Eerstejaars Natuurkunde aan de TU/e, in elk geval in '91). De massa is daarbij irrelevant.

[Bozozo]

Ik wil geen warmtegeleiding van koud naar warm laten plaatsvinden, want dan zit je inderdaad met de tweede hoofdwet in de knoop. Zie MSalter's reactie.

De vrijheidsgraden theorie geeft je de hoeveelheid energie die wordt opgeslagen in een atoom of molecuul. Het zegt bij mijn weten niets over de transmissie van warmte, maar is een verklaring voor de warmtecapaciteit: hoe meer vrijheidsgraden een stof heeft, hoe meer energie je erin kwijt kunt.

Maar als ik het goed lees bedoel je dat de doorstroming van energie niet zou plaatsvinden door beweging van de 'nanopilaartjes' als geheel, maar door trillingen die door de atomen onderling worden uitgewisseld. Daar zit wel wat in ben ik bang

Ik kom eigenlijk tot de conclusie dat deze structuur waarschijnlijk vrij goed isoleert maar de ene kant op precies even goed warmte geleidt als de andere kant op. Alleen kleine trillingen (wel op macroscopisch niveau) zouden vermoedelijk goed worden geabsorbeerd.

Misschien is het dan wel een hele goede dempingsmethode voor harde schijven en andere gevoelige electronica!

[Confusion]

Bozozo schreef op zondag 18 juni 2006 @ 20:52:
Maar als ik het goed lees bedoel je dat de doorstroming van energie niet zou plaatsvinden door beweging van de 'nanopilaartjes' als geheel, maar door trillingen die door de atomen onderling worden uitgewisseld. Daar zit wel wat in ben ik bang

Dat is wat phononen zijn: roostertrillingen . Natuurlijk zullen bepaalde phononfrequenties op de pilaartjes 'passen', maar ik denk niet dat de warmte'inhoud' van die frequenties hoog genoeg is om interessant te zijn ten opzicht van de warmte die toch al verplaatst wordt door de 'gewone' phononen.

Alleen kleine trillingen (wel op macroscopisch niveau) zouden vermoedelijk goed worden geabsorbeerd.

Als je meer wilt weten over het gebruik van koolstof nanobuisjes als mechanisch oscillatoren, dan moet je zoeken op de term NEMS (nano electromechanical systems). In Delft wordt daar aardig wat aan gedaan.

Misschien is het dan wel een hele goede dempingsmethode voor harde schijven en andere gevoelige electronica!

Er zijn experimenten waarin koolstof nanobuisjes als een soort veer gebruikt worden: de varianten waarvan de omtrek enigszins 'getwist' is, kan je een klein beetje indeuken, een beetje zoals een rietje. Alleen zijn ze, in absolute zin, behoorlijk stug. Wat niet wil zeggen dat een heleboel parallelle buisjes niet voor demping geschikt zijn.

[MSalters]

Overigens, ik denk dat het vrij eenvoudig is om aan te tonen dat zoiets theortisch mogelijk is. De warmtestroom door een thermokoppel of een Seebeck device is afhankelijk van de electische stroom. Omkeren van het temperatuursverschil levert bij een symmetrische constructie uiteraard een omgekeerde spanning op. Als je nu een diode plaats zal de warmtestroom afhangen van de dioderichting.

[Anoniem: 124325]

MSalters schreef op maandag 19 juni 2006 @ 21:00:
Overigens, ik denk dat het vrij eenvoudig is om aan te tonen dat zoiets theortisch mogelijk is. De warmtestroom door een thermokoppel of een Seebeck device is afhankelijk van de electische stroom. Omkeren van het temperatuursverschil levert bij een symmetrische constructie uiteraard een omgekeerde spanning op. Als je nu een diode plaats zal de warmtestroom afhangen van de dioderichting.

Komt dit in principe niet op het zelfde neer als het gebruik van conventionele heatpipes? Als je het"apparaat" in een black box plaats zie je eenvoudigweg een richting afhankelijke passieve warmte transport coëfficiënt. In diverse links met "nano heatpipes" wordt gesproken over (mij onbekende) structuren welke als heatpipes functioneren.

Wat ik me nu afvraag of de nanostructuren op basis van trillingen die TS voorstelt werkelijk het richtingsafhankelijke warmtetransport kunnen manifesteren. De verklaring die TS zelf gaf vind ik niet doorslaggevend: het houdt in dat je een object met de vorm van een hamer aan veertjes ophangt en deze objecten in serie schakelt en tussen stijve platen koppelt. Naar mijn mening, zonder een wiskundig analyse er voor op te zetten, zal deze structuur niet werken om het gewenste effect te verkrijgen. Als je een hamer tussen veren in trilling brengt zal de rotatietrilling van de hamer op een punt geschieden waar het massacenter zit.

Een thermische invoer zal "boven" en "beneden" een gelijke energie-invoer hebben als we een oppervlakte temperatuur beschouwen als driver. Het oppervlak aan de kant van lage massatraagheid zal een hogere trilling amplitude hebben dan het oppervlak aan de kant met hoge massatraagheid. Als je nu het hefboomeffect bekijk van de rotatie trilling van de hamertjes zal op eerste benadering een lage trilling amplitude aan de kant van de "hamer" een hoge amplitude aan het uiteinde van de steel veroorzaken. Echter het "veertje" kan op zijn beurt het volgende hamertje niet anders dan het eerste hamertje laten bewegen: het is immers een proces van energie overdracht. In deze zal er geen belemmering zijn om de energie door te geven op een identieke manier als in de andere richting.

Vanuit een macroscopische beschouwing, verkleind naar nano-plilaartjes, zal het model niet veranderen. Wel zou het misschien mogelijk zijn dat op nano-schaal de moleculaire bewegingen zich aan de hand van verschaling niet evenredig verkleinen zodat bijvoorbeeld er een filter-effect optreed als bewegingen een ondergrens proberen te passeren. . .op dat punt kan ik me indenken dat onder een bepaalde oppervlaktetemperatuur en boven een bepaalde massa van de hamertjes, het energietransport richtingafhankelijk wordt: dus dat een warmtetransport met een hoge oppervlakte temperatuur een groot transport coëfficiënt zal hebben maar dat een warmtetransport met een lage oppervlakte temperatuur zeer laag of misschien wel nul kan zijn(een super isolator???). Uiteraard gaat warmte nog steeds van een hoge naar een lage temperatuur.

In wezen zijn warmte transport coëfficiënten reeds temperatuurgevoelig maar met de voorgestelde nanostructuren van TS zou je misschien een thermische diode kunnen maken. In deze zin zou de diode een thermische isolator zijn onder een bepaalde oppervlaktetemperatuur en na verhoging van de oppervlaktetemperatuur het "schakelt" om een conductor te worden (Het zou min of meer het equivalente zijn van een omgekeerde vortex diode.. . .de vortex diode "blokkeerd" een doorstroming boven een zeer lage grensstroming ongeacht de drukverhoging daarna. Daaronder gedraagt het zich ongeveer als een gewone hydraulische weerstand).

Ofschoon dat dit niet het zelfde is als TS bedoelde is het toch interessant om een dergelijk materiaal te gaan bouwen om thermische dioden te produceren (voor zover het nog niet gedaan is).

Als je de functie van een vloeistof heatpipe beschouwd functioneert het reeds (min of meer) als een diode. Onder het kookpunt is de verdamping van de vloeistof zeer beperkt en als het begint te koken schakelt de heatpipe in “hoge versnelling” (voert hitte af op een belachelijk laag temperatuurverschil).

Misschien een idee voor ontluikende uitvinders of studie projecten?

[Confusion]

MSalters schreef op maandag 19 juni 2006 @ 21:00:
Overigens, ik denk dat het vrij eenvoudig is om aan te tonen dat zoiets theortisch mogelijk is. De warmtestroom door een thermokoppel of een Seebeck device is afhankelijk van de electische stroom.

Als je het theoretisch aan wilt pakken, dan kan je naar de set gegeneraliseerde relaties die temperatuursverschilen, spanningsverschillen en magnetische velden aan elkaar koppelen kijken. Die zijn uit fundamentele principes af te leiden; als ik het me goed herinner zijn er twee papers van Casimir waarin hij dat doet. Ik zal vanavond nog even kijken.

Als ik zo snel even zoek, dan vind ik Rev. Mod. Phys. 17, 343–350 (1945), wat over de Onsager relaties gaat, wat volgens mij de relaties zijn die ik bedoelde.

[ Voor 11% gewijzigd door Confusion op 20-06-2006 21:07 ]

[Bozozo]

Als je een hamer tussen veren in trilling brengt zal de rotatietrilling van de hamer op een punt geschieden waar het massacenter zit.

Ik weet niet of dat hier op gaat. Voorwerpen die volkomen vrij kunnen draaien zullen om hun massamiddelpunt draaien, maar als ik het goed heb hoeft dit niet te gebeuren bij geforceerde trillingen.

Ik ben het verder met je theorieën eens; er kan geen energie verdwijnen in de kettingreactie.

Na al dit gepraat krijg ik wel ineens een idee voor eenzelfde soort stof, maar dan één die specifieke trillingen heel goed absorbeert in een bepaalde richting. Paint-tekening volgt snel .

edit: nvm. Ik zat te denken aan een materiaal dat bestaat uit dezelfde 'zuilengang', maar dan met twee verschillende soorten zuilen. Beide soorten zuilen bestaan weer uit ketens van nanohamertjes. Bij een bepaalde frequentie moeten beide zuilentypes resoneren, maar niet op dezelfde manier: als het uiteinde van de ene zuil naar links beweegt moet het andere zuiltype juist naar rechts bewegen. Je creëert dan een soort antitrilling, waardoor er uiteindelijk volledige demping zou optreden.

Waar ik even niet aan dacht is dat je dan in de knel zit met 1) energiebehoud en 2) het feit dat trillingen driedimensionaal zijn en bovendien tamelijk chaotisch zullen worden doorgegeven.

Toch blijft het interessant om over nieuwe toepassingen van nanobuisjes en andere nanomaterialen te filosoferen

[ Voor 39% gewijzigd door Bozozo op 20-06-2006 19:36 ]

[Anoniem: 124325]

Bozozo schreef op dinsdag 20 juni 2006 @ 19:21:
[...]

Ik weet niet of dat hier op gaat. Voorwerpen die volkomen vrij kunnen draaien zullen om hun massamiddelpunt draaien, maar als ik het goed heb hoeft dit niet te gebeuren bij geforceerde trillingen.

In het algemeen zullen de koppelingen(aandrijf- en ophangpunten) in de trilling meegenomen moeten worden en zal er inderdaad een meer complexe trilling onstaan. Het blijft echter zo dat de amplitude van het "zware" eind kleiner zal zijn dan dat van het "lichte" eind en zou mijn argument m.b.t. energieoverdracht gelijk blijven(voor zover het een macroscopisch systeem betreft).

Ik ben het verder met je theorieën eens; er kan geen energie verdwijnen in de kettingreactie.

. . .

Toch blijft het interessant om over nieuwe toepassingen van nanobuisjes en andere nanomaterialen te filosoferen

Zeker weten! Van wat ik er over gelezen heb zal het uiterst moeilijk zijn om zonder de toepasbare bewegingswetten en ander gedrag van quantum structuren er veel (of iets) over te voorspellen (not my cup of tea!). Het is een beetje vergelijkbaar met vloeistof dynamica: in vacuum systemen gelden de aannamen voor de definitie van een vloeistof niet meer: je moet met ver van elkaar verwijderde bewegende en botsende deeltjes dynamica gaan rekenen(ruimtevaart dynamica ).

Ook aan het andere eind: nano vloeistof dynamica is iets dat een geheel aparte studie vereist. Je verhaal heeft me doen denken aan mijn idee voor het gebruik van echte nano heatpipes. . .niet nano structuren die vanuit de solid state kennelijk als heatpipes functioneren maar vloeistof heatpipes op nano schaal. Ik zal er verder over denken, maar het lijkt er op dat de gastransport veel te laag zal zijn in nanobuisjes en nog lagere vloeistofstroming in nano²-capilaire kanaaltjes vanwege het dominante viscositeitsgedrag.

[ Voor 8% gewijzigd door Anoniem: 124325 op 20-06-2006 22:34 ]

[Duesenberg J]

interessant idee, maar volgens mij zijn er toch een aantal dingen buiten beschouwing gelaten.

Atomen staan niet stil (boven het absolute nulpunt dan). Ook niet in koolstofnanobuisjes. Men heeft een grafische voorstelling gemaakt van waar elk atoom zich ongeveer bevindt ten opzichte van andere atomen, maar dat betekent niet dat de atomen altijd stilstaan in verhouding tot elkaar. Wanneer dus warmte wordt toegevoegd aan een nanobuis, zal niet de hele buis gaan bewegen zoals wij een ijzeren staaf zouden zien bewegen, maar zullen de aparte atomen heftiger bewegen. Het is bekend dat de bindingen tussen de verschillende koostofatomen in een nanobuis ontzettens sterk zijn. Als 1 atoom gaat bewegen zal er dus (volgens mij) een golfbeweging in gang gezet worden. Bij warmte gaan er dus ontzettend veel golfbewegingen tegelijk door het buisje. Resultaat: de hele buis gaat zwabberen als een stuk touw. (toch?) Nanobuisjes waren toch erg sterk tegen trekkrachten?

Maargoed, onze nanobuis die zwabbert een eind in het rond, en de wet van energiebehoud zegt dat de buis niet ineens kan stoppen met bewegen zonder die energie eerst aan iets anders te hebben doorgegeven. Dus die energie moet ergens heen. er zijn daarvoor twee opties: doorgeven aan de volgende nanobuis, of weer 'teruggeven' aan de warmtebron waarvan de nanobuis in eerste instantie zijn energie kreeg. Wanneer dat laatste gebeurt, zal er meteen weer nieuwe energie aan de nanobuis worden doorgegeven. Wanneer de nanobuis deze energie doorgeeft aan de volgende, krijgt deze weer nieuwe energie, net zolang tot de volgende ook zijn energie begint door te geven, enz. Zo komt de warmte dus toch door de hele constructie heen.

Ik snap wat er met het idee wordt bedoeld: de onderste 'hamervorm' begint te draaien rond het zwaartepunt. De steel legt een grotere afstand af dan de kop. De kop die veel minder beweegt, geeft de verkleinde beweging door aan de volgende steel, waarna de beweging weer verkleind wordt doorgegeven. Maar omdat de nanobuis niet een harde buis is, maar volgens mij meer een stuk touw, gaat dit principe ook niet op. Bovendien wordt niet alleen de nanobuis geraakt door de warmte, maar ook het blokje met een grote massa. Deze gaat dus ook trillen, enz.

Misschien is het wel mogelijk om een constuctie te maken die warmte weer in kinetische energie omzet, en die efficient genoeg is om bijv. een kamer koel te houden. Het materiaal zou dan in de muren verwerkt kunnen worden.
Maar als het over het isoleren van huizen gaat: niets is beter dan modder. van die lemen huisjes met kleine raampjes zijn warm in de winter en koel in de zomer. De muren die laten vrijwel gen warmte door, en de raampjes zijn zo klein zodat de in de winter weinig warmte naar buiten laten 'stromen' en in de zomer, wanneer de zon erop staat weinig warmte naar binnen laten komen.

edit: de contructie die een paar regels hierboven wordt voorgesteld bestaat al: een heatpipe. Het is dus zeker mogelijk. Maar nu nog een andere manier verzinnen die efficient is in het koelen van grote dingen, want een miljoen heatpipes in mijn kamer zie ik niet zo zitten.

[ Voor 6% gewijzigd door Duesenberg J op 21-06-2006 10:01 ]

[Rey Nemaattori]

Confusion schreef op zondag 18 juni 2006 @ 20:24:
Los daarvan: heb je niet een probleem met de tweede hoofdwet van de thermodynamica? Je kan in principe geen automagisch warmtetransport tussen reservoirs met dezelfde temperatuur laten plaatsvinden: dat zou de entropie verlagen. Als je een temperatuursverschil tussen de twee reservoirs hebt, dan heb je geen richtingsafhankelijke warmtegeleidingscoefficient meer nodig: de warmte stroomt dan toch van warm naar koud.

Interessant punt nu je het daar over hebt. Ik heb enige tijd geleden een waterchiller gefabriceerd, deze staat nu echter leeg. Tog geven mijn thermometers continue een lagere temperatuur in de koelruimte aan dan er buiten. Ik heb heel lang mijn hoofd over gebroken. De temperatuur is alstijd 1 tot 2 gradne onder de kamertemperatuur, tenzij de kamertemperatuur extraam shcommelt(open zetten van de ramen of het aanslingeren van de verwarming.

De koelruimte bestaat uit een plastieken bak met polystyrene isolatieplaten(een koelbox) deze is omzwachteld met glas/steenvezelwol met aan de buitenzijdeeen kartonnenreflecterende laag(aluminiumfolie gok ik). Je kent het spul misshcine wel uit de bouw:


Voorts is hier een geperst houten bekisting om heen getimmerd. Deze bekisting is aan de buitenzijde vrij secuur beplakt met een 5mm 'bouw'polystyreen: Aan de buitenzijde voorzien van wederom een zilveren mylarlaag. Nu weet ik dat de reflecterende lagen warmtetransport dmv straling(infrarood) tegen gaat door deze straling om te keren.

vziw zijn er 2 opties:

- De temperatuur in de koelruimte is lager omdat de reflecterende lagen voortdurend (een deel van) de alomaanwezige infraroodstralling naar binnen toe blokkeert, terwijl uitgaande straling niet of in mindere mate wordt tegen gehouden.
- Mijn sensoren zijn kapot

[Anoniem: 124325]

Duesenberg J schreef op woensdag 21 juni 2006 @ 09:58:
interessant idee, maar volgens mij zijn er toch een aantal dingen buiten beschouwing gelaten.

. . .Als 1 atoom gaat bewegen zal er dus (volgens mij) een golfbeweging in gang gezet worden. Bij warmte gaan er dus ontzettend veel golfbewegingen tegelijk door het buisje. Resultaat: de hele buis gaat zwabberen als een stuk touw. (toch?) Nanobuisjes waren toch erg sterk tegen trekkrachten?

Het is nog maar de vraag of een nanobuisje zich al een zwabberend stuk touw gaat gedragen. . . het zou afhankelijk zijn van hoe lang het is in verhouding tot de diameter. . .een hennep vezel van 2 mm lang gedraagt zich zeker niet als een 1 mm touw van 1 m lang. Je moet tevens nog meenemen dat voor het gedrag van een materiaal dat uit dunne buisjes zou zijn opgebouwd je de cross-linking niet moet vergeten. Dan is het zo dat op nano-schaal veel van de macroscopische gedragsregels voor deeltjes opnieuw moeten worden uitgevonden. Dit is klaarblijkelijk de reden dat solid-state nanostructuren zich als heatpipes gedragen (zie de artikelen als je "nano-heat pipes" op Google intikt). Het idee van TS heeft wel degelijk mogelijkheden: als je nanostructuren op trillingsniveau gaat beschouwen zou het me niet verbazen dat waar TS naar streeft mogelijk is. Je zou dan moeten zoeken naar structuren welke volgens nano-dynamica (quantum dynamica??) gedragsregels bewegen. Misschien is het TS idee wel goed maar dan met een andere structuur dan de nano-hamertjes en een speciale "ophanging" die one-way trillingsenergie transmissie toelaat.

Misschien is het wel mogelijk om een constuctie te maken die warmte weer in kinetische energie omzet, en die efficient genoeg is om bijv. een kamer koel te houden. Het materiaal zou dan in de muren verwerkt kunnen worden.

Voor die applicatie hen je louter goed isolerende muren nodig. . .zoals je zelf al opmerkte over "modderhuisjes". Als je echter een warmtebron in je kamer hebt wil je dat het de warmte doorlaar, maar dan zou je in de winter een probleem hebben en moet je de muur 180 gr. draaien om het warm te houden. Gaat lekker duur worden.

edit: de contructie die een paar regels hierboven wordt voorgesteld bestaat al: een heatpipe. Het is dus zeker mogelijk. Maar nu nog een andere manier verzinnen die efficient is in het koelen van grote dingen, want een miljoen heatpipes in mijn kamer zie ik niet zo zitten.

Als we die heatpipes klein genoeg voor je maken zie je ze toch niet zitten, ook als zijn er 100 miljard per cm2
Maar dan is het nog steeds een one-way process en als je het voor een muur wilt gebruiken zou je die muur toch 180 gr. moeten draaien: in de zomer zet je de verdamper binnen en de condenser buiten in de schaduw. . .als het in de schaduw een lagere temperatuur hebt op het condensatiepunt van de vloeistof dan werkt het super goed. Als het buiten warmer is dan binnen dan is de wand isolerend en dat is OK. Maar nu wordt het winter en zit de verdamper binnen en dan is de heatpipe een thermische supergeleider en zit je zo in de ijspegels. . .dus de muur weer 180 draaien.. . .je geld krijgt voorlopig even vleugeltjes als je zo’n muur gaat aanschaffen.

In het bovenste moet je bedenken dat er geen "koude stroom bestaat". Met het omdraaien van de muur zit de verdamper buiten in de vrieskou en is in principe de hoge warmtegeleiding kant aan de buitenkant maar toch werkt de heatpipe naar beide kanten toe isolerend zo lang de temperatuur onder de verdamping temperatuur van de vloeistof zit. De heatpipe heeft een warmtegeleidinggedrag dat in wezen toch zeer anders is dan wat TS beoogde.

Met het materiaal dat TS beoogde zou je structureel een toepassing kunnen bedenken waarin een ruimte of een substantie altijd van binnen naar buiten toe thermisch geïsoleerd moet zijn van een koude omgeving maar waar in tijd er vaak de temperatuur daalt t.o.z.v. van de omgeving en dat dan de ruimte de warmte van de omgeving bij voorkeur zou moeten benutten. In deze toepassing zou het zeer nuttig zijn de omgevingswarmte te kunnen benutten. . . .denk bijvoorbeeld aan een toepassing voor een zonnewarmte collector: als de vloeistof in de collector “warm” is geeft het geen energie af aan de koude omgeving; als de buitentemperatuur even stijgt boven de vloeistof temperatuur stroomt de energie naar binnen. Dat zou een prachtige toepassing zijn. . . als het materiaal “goedkoop” zou zijn.

[Anoniem: 124325]

Rey Nemaattori schreef op donderdag 22 juni 2006 @ 22:49:
[...]


Interessant punt nu je het daar over hebt. Ik heb enige tijd geleden een waterchiller gefabriceerd, deze staat nu echter leeg. Tog geven mijn thermometers continue een lagere temperatuur in de koelruimte aan dan er buiten. Ik heb heel lang mijn hoofd over gebroken. De temperatuur is alstijd 1 tot 2 gradne onder de kamertemperatuur, tenzij de kamertemperatuur extraam shcommelt(open zetten van de ramen of het aanslingeren van de verwarming.

De koelruimte bestaat uit een plastieken bak met polystyrene isolatieplaten(een koelbox) deze is omzwachteld met glas/steenvezelwol met aan de buitenzijdeeen kartonnenreflecterende laag(aluminiumfolie gok ik). Je kent het spul misshcine wel uit de bouw:
[afbeelding]

Voorts is hier een geperst houten bekisting om heen getimmerd. Deze bekisting is aan de buitenzijde vrij secuur beplakt met een 5mm 'bouw'polystyreen: Aan de buitenzijde voorzien van wederom een zilveren mylarlaag. Nu weet ik dat de reflecterende lagen warmtetransport dmv straling(infrarood) tegen gaat door deze straling om te keren.

vziw zijn er 2 opties:

- De temperatuur in de koelruimte is lager omdat de reflecterende lagen voortdurend (een deel van) de alomaanwezige infraroodstralling naar binnen toe blokkeert, terwijl uitgaande straling niet of in mindere mate wordt tegen gehouden.
- Mijn sensoren zijn kapot

Ik stel dat er een andere verklaring is. Reflecterende lagen of niet op termijn zou er een thermische balans optreden met constante temperatuur buiten de koelbox.

Als je echter temperatuurschommelingen hebt kan het goed zo zijn dat de lage buitentemperatuur (buiten de koelbox)lager onder het gemiddelde licht dan de hogere buitentemperatuur boven het gemiddelde ligt. Neem ook mee dat de lagere buitentemperatuur een langere periode kan hebben zodat gemiddeld de opwarming in de box achter de koeling aan loopt. Zoiets dacht ik(of net andersom). Het is ook afhankelijk wanneer je de metingen uitvoert.

[ Voor 12% gewijzigd door Anoniem: 124325 op 23-06-2006 00:59 ]

[Rey Nemaattori]

Anoniem: 124325 schreef op vrijdag 23 juni 2006 @ 00:51:
[...]

Ik stel dat er een andere verklaring is. Reflecterende lagen of niet op termijn zou er een thermische balans optreden met constante temperatuur buiten de koelbox.

Als je echter temperatuurschommelingen hebt kan het goed zo zijn dat de lage buitentemperatuur (buiten de koelbox)lager onder het gemiddelde licht dan de hogere buitentemperatuur boven het gemiddelde ligt. Neem ook mee dat de lagere buitentemperatuur een langere periode kan hebben zodat gemiddeld de opwarming in de box achter de koeling aan loopt. Zoiets dacht ik(of net andersom). Het is ook afhankelijk wanneer je de metingen uitvoert.

De metingen verlopen continu. De enige schommeling ontstaat als de kamertemperatuur schommelt. Daalt de temperatuur heel geleidelijk(zoals savonds/nachts), dan daalt de temperatuur in de koelruimte mee, en blijft ten allen tijde onder de kamertemperatuur, hoewel ze wel tijdelijk iets dichter bij elkaar komen te liggen(isolatielag).

Stijgt de kamertemp dan volgt de temperatuur in de koelruimte, zij het weer met enige vertraging.
ik ga als ik thuis kom even beide sensoren naast elkaar leggen, mischien heeft de externe sensor toch een lichte afwijking.

[Anoniem: 124325]

Rey Nemaattori schreef op vrijdag 23 juni 2006 @ 15:15:
[...]


De metingen verlopen continu. [. . . .]

Stijgt de kamertemp dan volgt de temperatuur in de koelruimte, zij het weer met enige vertraging.
ik ga als ik thuis kom even beide sensoren naast elkaar leggen, mischien heeft de externe sensor toch een lichte afwijking.

Het vraagstuk wordt zeer interessant! Ik denk even "hard op" verder over wat je o.a. vertelde en wat je over straling zei:

Het ijken van de sensoren is uiteraard zeer belangrijk. Zonder er zeker van te zijn is je observatie niets meer dan dat. Je zou ook voor een lange tijd de meting moeten uitvoeren met een constante omgevings temperatuur.

Er is nog iets dat je misschien niet meegenomen hebt en wat de uitkomst van de meting sterk kan beinvloeden.

De warmtetransport van het buitenoppervlak van de box is:

Q1convectie via de lucht= hAs(Ts-Tl). . . .ik ga er vanuit dat identificatie van de symbolen niet nodig is. Dit geldt voor 5 aparte zijden van de box. Uiteraard zijn de oppervlakte-temperaturen niet gelijk en zou je een oppervlakte-integratie moeten uitvoeren. De Ts wordt bepaald door warmtetransport door de wand van de box. Je moet dus ook nog de transportvergelijking voor de warmtetransport vanuit de ruimte in de box(lucht) door de wand opzetten. Zonder vereenvoudigingen is dat geen eenvoudige taak.
Q2conductie grondvlak= kAs/x(Ts-Tl). . . Deze vergelijking is sterk afhankelijk van wat type vloer je hebt en zal vaak ook een integratie vergen: is de vloer dun met daaronder lucht, of staat de box op een koude grond. . .zoals beton of iets dergelijks?.. . .Je ziet hier dat een "koude vloer" ook verantwoordelijk kan zijn dat er netto warmte door de vloer verdwijnt. Het moge duidelijk zijn dat voor elk oppervlak er een unieke Ts en Tl. . .Tl is (Tlaag). . .is.

Nu de stalingswarmtetransport:

Q3straling = e*b*As*vf*(Ts⁴-Tl⁴). . . .

e is de emissiviteit en b is de Boltzmann constante en vf is de "view factor". Dit geldt voor de 5 zijden welke de kamer in kunnen "kijken" naar de wanden van de kamer. Als de oppervlakte temperatuuren niet gelijk zijn zal dit ook een integratie vereisen. Of je in een werkelijke berekening gaat vereenvoudigen of niet is een vraag voor een praktijkgeval. Hier ga ik uiteraard niets berekenen maar slechts kijken naar wat belangrijk is voor wat je meet.

Deze Q3 is een zeer belangrijke factor voor het vraagstuk vanwege het feit dat de temperatuur er tot de 4de-macht in zit. Rey Nemaattori heeft zelf al de belangrijkheid van straling genoemd, dus ga ik daar even verder op in: als je bijvoorbeeld een raam in de wand van de kamer hebt (zonder gordijnen er voor) dan kijkt de "hete" wand van de koelbox naar de "koude omgeving" buiten het transparante glas. . .de omgeving buiten het raam kan een relatief zeer lage gemiddelde temperatuur hebben, vooral als het een heldere hemel is. Ook op de dag kan deze straling naar de ruimte met een heldere hemel belangrijk zijn om wamte te verliezen (het voelt vaak koel aan in de schaduw op een hete heldere dag)

Als je koelbox nauwkeurig wordt beschouwd zou je de totale omgevingstemperatuur in beeld moeten brengen. . .niet alleen de lucht temperatuur van de kamer is belangrijk maar ook tot hoeverre verlies door de vloer en verlies door glazen ramen (en mogelijk ook stralingsverlies via andere koude plekken op de muren van je kamer) van toepassing is, emmisiviteit van de oppervlakten uiteraard niet te vergeten.

Ik denk dat je na een beschouwing van wat soort oppervlakten er voor de "omgeving" van de koelbox gelden misschien een aantal "koude plekken" kan vinden waardoor het, achteraf bekenen, in de praktijk nagenoeg altijd er een karakterestiek temperatuurverschil zal zijn voor een koelbox in een kamer.

Je eerste optie voor de verklaring waarom het in de box normaliter kouder is zou zeker dicht bij de werkelijkheid zijn en met name het energieverlies door glazen ramen zou daarvoor verantwoordelijk kunnen zijn.

[ Voor 4% gewijzigd door Anoniem: 124325 op 23-06-2006 21:07 ]