O lege a fizicii veche de 200 de ani are o excepție uimitoare

Cercetătorii au descoperit o excepție de la o lege a fizicii veche de 200 de ani care guvernează modul în care căldura se difuzează prin materialele solide.

Cunoscută sub numele de legea lui Fourier, această lege a fizicii descrie modul în care căldura este transferată sau condusă prin materialele solide. Pe măsură ce moleculele vibrează și electronii se deplasează, căldura se difuzează de la capătul mai cald al unui obiect la capătul mai rece, la o rată proporțională cu diferența de temperatură și zona prin care se deplasează.

• Cum au trecut razele cosmice prin atmosfera Pământului acum 41.000 de ani?
• Ce s-a întâmplat după ce oamenii de știință au declanșat mini-cutremure în laborator

Cu toate acestea, în ultimele decenii, cercetătorii au descoperit că la nivel nanometric, acest model de difuzie nu funcționează; legea lui Fourier se descompune și nu mai prezice cât de repede sau cât de încet se va deplasa căldura printr-un material solid.

După 200 de ani, a fost găsită o excepție de la o lege a fizicii

Fizicianul de polimeri Kaikai Zheng, de la Universitatea din Massachusetts, Amherst (SUA), și colegii săi s-au întrebat dacă ar putea exista excepții similare la legea lui Fourier la scară macro, în materiale transparente precum polimerii translucizi și sticlele anorganice.

Aceste materiale, fiind translucide, permit trecerea unor lungimi de undă ale luminii. Cu toate că lumina nu este absorbită complet, așa cum se întâmplă în materialele opace, aceasta se dispersează, reflectându-se din impuritățile din structura materialului.

Acest lucru a condus la ipoteza că, pe lângă difuzia căldurii prin aceste materiale solide, translucența lor ar putea permite, de asemenea, propagarea energiei termice sub formă de radiație termică. Căldura radiantă este transportată prin aer sub formă de unde electromagnetice, în principal radiații infraroșii, ca în cazul căldurii resimțite de la razele soarelui, scrie Science Alert.

„Această cercetare a început cu o întrebare simplă. Ce s-ar întâmpla dacă căldura ar putea fi transmisă prin solide printr-o altă cale, nu doar cea presupusă până acum?”, explică autorul principal, Steve Granick, specialist în materiale la Universitatea din Massachusetts, Amherst.

Astfel, cercetătorii au fixat benzi de materiale de test și le-au suspendat, una câte una, într-o cameră cu vid. Vidul elimina posibilitatea ca căldura să se disipeze prin aer.

Ce înseamnă descoperirea pentru știință?

„Găsirea de încălcări ale legii lui Fourier la scară macroscopică ar fi uimitoare, deoarece acest lucru ar depăși gândirea standard ‘de manual’”, scriu cercetătorii, reflectând asupra gândirii lor din timpul experimentelor.

Echipa a emis impulsuri scurte de laser către materiale pentru a le încălzi și a măsurat cum se răspândește căldura prin fiecare dintre materiale folosind trei metode: un senzor de temperatură plasat direct pe suprafața materialului; măsurarea schimbării de culoare a unui strat sensibil la temperatură aplicat pe eșantion; și o cameră infraroșu.

„Datele arată că încălzirea a avut loc mai rapid decât i-ar putea fi atribuită difuziei, indicând faptul că radiația contribuie semnificativ la fluxul de căldură în primele momente de după un impuls termic, deși contribuția relativă a radiației scade pe măsură ce difuzia devine dominantă mai târziu”, scriu cercetătorii.

„Nu este vorba că legea lui Fourier este greșită, doar că nu explică tot ceea ce observăm în ceea ce privește transmiterea căldurii”, clarifică Granick.

Echipa sugerează că materialele translucide radiază căldură intern, deoarece imperfecțiunile structurale acționează ca absorbanți și surse de căldură, permițându-i căldurii să se propage de la un punct la altul în loc să se difuzeze lent.

Oamenii de știință adaugă că descoperirile lor i-ar putea ajuta pe ingineri să proiecteze noi strategii pentru gestionarea căldurii în materialele translucide, acum că studiul lor oferă o înțelegere extinsă a modului în care căldura se răspândește în materiale solide, la aproximativ 200 de ani după ce acest fenomen a fost descris pentru prima dată în termeni matematici.

Studiul a fost publicat în PNAS.

Vă recomandăm să citiți și:

Ce ne spune matematica despre dilemele sociale?

O galaxie antică „amenință” să răstoarne cosmologia

Cele mai puternice câmpuri magnetice ar putea fi chiar aici pe Pământ

Un metamaterial din titan imprimat 3D a rezolvat o veche problemă de inginerie