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Generalized Fourier's law for nondiffusive thermal transport: Theory and experiment

机译：非扩散热传递的广义傅里叶定律：理论与实验

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摘要

Phonon heat conduction over length scales comparable to their mean free paths is a topic of considerable interest for basic science and thermal management technologies. However, debate exists over the appropriate constitutive law that defines thermal conductivity in the nondiffusive regime. Here, we derive a generalized Fourier's law that links the heat flux and temperature fields, valid from ballistic to diffusive regimes and for general geometries, using the Peierls-Boltzmann transport equation within the relaxation time approximation. This generalized Fourier's law predicts that thermal conductivity not only becomes nonlocal at length scales smaller than phonon mean free paths but also requires the inclusion of an inhomogeneous nonlocal source term that has been previously neglected. We provide evidence for the validity of this generalized Fourier's law through direct comparison with time-domain thermoreflectance measurements in the nondiffusive regime without adjustable parameters. Furthermore, we show that interpreting experimental data without the generalized Fourier's law can lead to inaccurate measurement of thermal transport properties.
机译：声子在与它们的平均自由程可比的长度尺度上的导热是基础科学和热管理技术相当感兴趣的一个话题。但是，关于在非扩散状态下定义热导率的适当本构定律存在争议。在这里，我们使用弛豫时间近似内的Peierls-Boltzmann输运方程，导出了将热通量和温度场联系起来的广义傅里叶定律，从弹道形式到扩散形式都有效，并且对于一般几何形状也是如此。该广义傅里叶定律预测，热导率不仅会在长度范围内小于声子平均自由程而变得非局部，而且还需要包含先前被忽略的非均匀非局部源项。通过与无扩散参数且无可调参数的时域热反射率测量值直接比较，我们提供了该广义傅里叶定律有效性的证据。此外，我们表明，在没有广义傅立叶定律的情况下解释实验数据可能会导致热传输特性的测量不准确。

著录项

  • 来源
    《Physical review》 |2019年第8期|085203.1-085203.11|共11页
  • 作者

    Hua Chengyun; Lindsay Lucas; Chen Xiangwen; Minnich Austin J.;

  • 作者单位

    Oak Ridge Natl Lab Environm & Transportat Sci Div Oak Ridge TN 37831 USA;

    Oak Ridge Natl Lab Mat Sci & Technol Div Oak Ridge TN 37831 USA;

    Jet Prop Lab Pasadena CA 91109 USA;

    CALTECH Div Engn & Appl Sci Pasadena CA 91125 USA;

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