Ученые Индийского института науки (IISc) совместно с Национальным институтом материаловедения Японии впервые зафиксировали в графене поведение электронов как почти идеальной квантовой жидкости.

Идеальная квантовая жидкость - абстрактная модель вещества, свойства которого определяются квантовыми эффектами, а не классической гидродинамикой, где идеальной жидкостью называется жидкость без вязкости и сил внутреннего трения.

В сверхчистых образцах исследователи обнаружили резкое расхождение между теплопроводностью и электропроводностью — отклонение от закона Видемана—Франца превысило 200 раз при низких температурах.

Команда изготовила исключительной чистоты однослойные образцы графена и одновременно измеряла перенос заряда и тепла. Вместо ожидаемой пропорциональности в металлах ученые увидели обратную зависимость: рост электропроводности сопровождался падением теплопроводности и наоборот. Анализ показал, что механизмы переноса заряда и тепла «расцепляются», но при этом оба подчиняются универсальной величине, связанной с квантумом проводимости — фундаментальной константой электронного транспорта.

Необычный режим проявился вблизи так называемой точки Дирака, где графен не является ни металлом, ни изолятором. Здесь электроны и дырки перестают вести себя как независимые частицы и текут подобно жидкости с минимально возможной вязкостью — дираковскому флюиду. По оценкам авторов, эта «квантовая жидкость» во много раз менее вязкая, чем вода, и по своим свойствам напоминает кварк-глюонную плазму, наблюдаемую на крупных ускорителях.

Открытие делает графен удобной и доступной лабораторией для проверки идей из физики высоких энергий и астрофизики — от термодинамики черных дыр до масштабирования энтропии запутанности — в настольных экспериментах. С прикладной точки зрения дираковский флюид открывает путь к новым типам квантовых сенсоров, способных усиливать сверхслабые электрические сигналы и фиксировать крайне слабые магнитные поля, отмечают в IISc.

Статья опубликована в журнале «Вычислительная механика сплошных сред». Исследование выполнено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Около 55% запасов России приходятся на высоковязкую нефть, добывать которую сложнее, чем маловязкую и средневязкую. Вязкость зависит от различных примесей в ее составе и концентрации тяжелых углеводородов (смол, асфальтенов, парафинов).

Добывают высоковязкую нефть с помощью электрических центробежных насосов, которые создают нужное давление для подъема и перекачивания флюида. Однако из-за высокой вязкости нефти оборудование перегружается и выходит из строя при критических значениях вязкости. Для снижения уровня последней используют специальные греющие устройства, которые устанавливают в призабойную область скважины. При нагреве нефть становится менее вязкой, а работа насосов стабильной.

Во время добычи углеводородов важно поддерживать необходимую температуру и контролировать распределение тепла для предотвращения выхода из строя перекачивающего оборудования и обеспечения необходимой величины дебита.

Для анализа процессов тепломассопереноса нефти в скважине с призабойным нагревателем использовался метод математического моделирования. Для оптимизации процесса ученые Пермского Политеха создали трехмерную компьютерную модель, включающую саму скважину, насосно-компрессорную трубу с отверстиями, по которой жидкость поступает в насос, и соединенный с ней нагреватель цилиндрической формы. Модель учитывает распределение температуры, скорости и вязкости нефти, а также параметры самого греющего устройства

Реализация модели позволила определить рациональное значение мощности нагревателя, позволяющее снизить вязкость нефти ниже критического для насоса значения на том или ином месторождении, оценить влияние длины нагревателя и условия выхода его из строя. 

С помощью модели ученые изучили нагреватели разной мощности (1; 1,75; 2,25 кВт), и длины (1, 3 и 5 м), но при этом поддерживали одинаковую температуру в 122°С. Ученые экспериментально выяснили, что максимальная температура, при которой могут эксплуатироваться устройства подобного типа, составляет 125°С. Более высокая – может привести к перегреву оборудования и преждевременному выходу из строя.

– Мы выяснили, что наиболее интенсивный нагрев нефти наблюдается в первых двух метрах трубы при использовании устройства длиной в 1 метр. Это связано с тем, что его удельная мощность выше, чем у 3- или 5-метрового. При этом для всех типов устройств изменения температуры происходят почти одинаково: сначала она достигает максимума, а потом постепенно охлаждается практически с одинаковой скоростью, – объясняет Наталья Труфанова, заведующая кафедрой «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ, доктор технических наук.  

Модель позволила определить, как параметры нагревателя влияют на температуру нефти на входе в насос. Так, длина устройства в 1 метр и мощность 1 кВт повышает ее значения до 39.11°С, 3 метра с мощностью 1,75 кВт – до 52.39°С, а 5 метров и 2,25 кВт – до 60.18°С. С увеличением температуры понижается и вязкость нефти. В целом все три нагревателя могут использоваться для ее снижения, но этот фактор также зависит от мощности используемого насоса. Для некоторого оборудования нагреватель в 1 метр не подойдет, а в 3-5 метров будут более эффективны.

– В результате мы можем сделать вывод, что применение устройства электрического нагрева в призабойной зоне скважины с наибольшей мощностью (2,25 кВт) дает возможность до 60°С повысить температуру нефти и в 14 раз снизить ее вязкость, – поделился Дмитрий Пинягин, аспирант кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ.

Разработка ученых Пермского Политеха поможет специалистам в нефтедобывающей практике определить температуру и характер течения углеводородов на заранее известном участке скважины. Применение модели позволит рассчитать необходимую длину нагревателя, которой будет достаточно для снижения вязкости нефти и обеспечения бесперебойной работы электрического центробежного насоса. Это, в свою очередь, повысит долговечность оборудования и снизит материальные затраты при разработке нефтяных месторождений.

Гидравлическое масло - это жидкость, необходимая для работы гидравлических механизмов. Она позволяет им функционировать. Масла для гидравлики бывают разных типов и классов, каждый подходит для определенного вида механизмов.

Вот основные типы масел:

Масла для водного и воздушного транспорта.
Масла для тормозных и амортизаторных систем.
Масла для гидравлических приводов и передач.
Масла для оборудования на производстве.
И основные классы по составу:

Нефтяные.
Водно-гликолевые.
Синтетические (искусственные).
Каждое масло должно обладать определенными свойствами, например:

Сопротивляться окислению.
Не образовывать пены.
Соответствовать нужной вязкости и температурному диапазону.
Легко фильтроваться.
Отделять воду от себя.
Защищать от коррозии.
Снижать износ.

Вязкостные характеристики смазок чаще всего определяются при использовании международного стандарта ISO, после чего определенному типу техжидкости присваивается класс. Чем выше степень вязкости масла, тем более густым оно будет (например, масло гидравлическое 32 будет иметь меньшую вязкость, нежели масло со степенью вязкости 46 по стандартам ISO), и тем более широкий диапазон температур будет доступен для работы.