La temperatura es difícil de medir, especialmente en experimentos de compresión de choque. Un gran desafío es tener en cuenta el transporte térmico:el flujo de energía en forma de calor.

Para comprender mejor este desafío, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han dado pasos importantes para demostrar que la conducción térmica es importante y medible en condiciones de alta presión y temperatura en este tipo de experimentos. según un artículo publicado recientemente en el Revista de física aplicada . Los autores del artículo son David Brantley, Ryan Crum y Minta Akin.

"Necesitamos mejores mediciones de temperatura porque comprender el comportamiento de alta temperatura y presión de los materiales planetarios de tipo rocoso es clave para desarrollar mejores modelos de la Tierra y otros exoplanetas terrestres". "dijo David Brantley, Físico del LLNL y autor principal del artículo.

Brantley dijo que dependiendo de cómo el hierro conduce el calor a la presión y temperatura del núcleo de la Tierra, El núcleo interno sólido del planeta podría tener entre 500 millones y varios miles de millones de años.

"Las grandes incertidumbres en las temperaturas medidas del hierro en las condiciones centrales de la Tierra hacen que sea difícil restringir el perfil de temperatura del planeta con precisión, ", dijo." Estas incertidumbres no se han tenido en cuenta en las mediciones de temperatura anteriores, y descubrimos que pueden sesgar significativamente los resultados anteriores ".

Para describir cualquier material, los investigadores necesitan la ecuación de estado, que se puede describir de muchas formas, pero la más común es la presión, volumen y temperatura.

"Las ecuaciones de estado bien limitadas y determinadas experimentalmente son fundamentales para la capacidad predictiva y la cuantificación de la incertidumbre de los cálculos a partir de hidrocódigos, ", Dijo Brantley." Al proporcionar incertidumbres realistas de las temperaturas de choque medidas, proporcionamos un mejor manejo de la incertidumbre inherente en nuestras ecuaciones de estado ".

Brantley dijo que el equipo cuantificó las mayores fuentes de incertidumbre de la temperatura de choque y proporcionó un camino claro a seguir para reducir significativamente la incertidumbre de la temperatura general.

"Como comunidad, nos hemos vuelto bastante buenos para medir la presión y el volumen:temperatura, no tanto, lo que nos deja con una ecuación de estado incompleta. Las ecuaciones de estado se utilizan en modelos, pero si estan incompletos, el modelo también lo será ".

Debido a las escalas de tiempo de los experimentos de compresión de choque, que duran menos de una millonésima de segundo, la temperatura se mide típicamente recolectando la luz emitida por la muestra caliente a través de pirometría óptica. Para materiales opacos como el hierro, la luz se recoge solo de la superficie de la muestra. Similar a cómo el mango de una olla es más frío que la superficie de cocción, La superficie de la muestra suele ser más fría que el interior. Sin embargo, la temperatura interior o global es necesaria para la ecuación de estado. La principal fuente de incertidumbre en las mediciones de la temperatura de choque proviene de la inferencia de la temperatura interior a partir de la luz emitida desde la superficie.

La diferencia entre la temperatura de la superficie y la masa depende de qué tan bien se conduce el calor a través de la muestra, como la conductividad térmica. La incertidumbre de la medición de la temperatura de choque mediante pirometría depende de la incertidumbre en la conductividad térmica de la muestra en las condiciones experimentales de alta presión y temperatura. entre otras cosas. La precisión mejorada en las mediciones de conductividad térmica de alta temperatura y presión también mejora la precisión en la medición de la temperatura de choque.

A presiones y temperaturas por debajo del límite del núcleo interno de la Tierra, Las mediciones de la temperatura de choque proporcionan una verificación cruzada vital con otros métodos. Las presiones y temperaturas alcanzables en los experimentos de choque van mucho más allá de la gama de otros métodos, y los experimentos de choque proporcionan actualmente el único medio confiable de lograr presiones y temperaturas similares a las del interior de los planetas gigantes gaseosos y de la súper Tierra.

El equipo de investigación realiza el trabajo en cuatro experimentos

Para realizar el trabajo, Los investigadores realizaron cuatro experimentos diseñados para unir la conducción térmica en la escala de tiempo típica de los experimentos de compresión de choque.

El equipo tomó dos muestras de estaño y dos de hierro, Revestimiento catódico con un espesor de 5 micrómetros en ventanas de fluoruro de litio (LiF), que luego se pusieron en contacto con placas de base de hierro de aproximadamente 2 milímetros de espesor. La placa base sirvió como disipador de calor para las muestras de estaño más calientes. Dado que la placa base estaba mucho más fría que el estaño, la temperatura del estaño debería haber bajado, como se observó en los experimentos. Las temperaturas de la muestra de hierro coincidieron aproximadamente con la temperatura de la placa base para los experimentos de muestra de hierro, por lo que se esperaba que la temperatura del hierro se equilibrara.

Las simulaciones mostraron que la temperatura de la placa base de hierro podría haber sido más alta de lo esperado más cerca de la muestra. Dado que el hierro conduce el calor con menos facilidad que el estaño, no se esperaba que se observara el cambio de temperatura (en la interfaz) hasta mucho más tarde en el experimento. Dado que no se observó este cambio de temperatura, estableció un límite superior en la conductividad térmica del hierro.

Los cuatro conjuntos de objetivos se electrocutaron en serie a condiciones experimentales utilizando impactadores de placa de cobre en la instalación de cañones de gas ligero JASPER de LLNL. Se utilizó pirometría óptica de alta precisión para determinar las temperaturas de la interfaz de la ventana de la muestra, y se utilizó velocimetría de fotón Doppler (PDV) para confirmar la presión junto con simulaciones hidrodinámicas.

Las ventanas LiF sirvieron para mantener las condiciones de alta presión y temperatura y proporcionar un medio transparente para recoger la luz de la superficie de la muestra. Se eligió el estaño porque está mucho más caliente que las muestras de hierro a presiones de anillo similares en la ventana de LiF.

"La temperatura de LiF no es bien conocida, así, al impactar objetivos de estaño y hierro a presiones similares en la ventana LiF, obtenemos temperaturas de ventana comparables para los diferentes objetivos, "Dijo Brantley.

La placa base de hierro sirvió como disipador de calor para las muestras de estaño más calientes, que eran lo suficientemente delgados para permitir un transporte térmico difusivo significativo. Las muestras de hierro sirvieron como un historial de temperatura de referencia para probar el equilibrio de las temperaturas de la muestra de estaño observadas.

Los hallazgos son dobles

Brantley dijo que se informaron dos hallazgos importantes en el trabajo. Primero, una comparación de la temperatura de la interfaz de estaño observada con la temperatura de la interfaz de hierro cercana al equilibrio permitió al equipo restringir la escala de tiempo característica de la relajación térmica.

"Esta observación abre la posibilidad de un nuevo tipo de plataforma experimental para determinar los parámetros de transporte térmico de la muestra en experimentos de compresión de choque utilizando el historial de tiempo de temperatura relativa de la muestra, ", Dijo Brantley." Un diseño de plataforma de este tipo podría colocarse en cualquier instalación de compresión dinámica capaz de acomodar múltiples sistemas de pirometría ".

El segundo hallazgo importante fue la importancia de restringir la sistemática para obtener resultados de temperatura precisos. Se encontró que los efectos sistemáticos varían en dirección con una magnitud igual o mayor que la incertidumbre experimental. Es más, estas sistemáticas eran dependientes del modelo, lo que significa que solo la elección del modelo puede afectar la temperatura a granel. Es de vital importancia que los resultados finales de temperatura se corrijan para las contribuciones sistemáticas más significativas, la investigación mostró.