Forskere finder undtagelser fra 200 år gammel videnskabelig lov om varmeoverførsel

Et team af forskere ledet af University of Massachusetts Amherst har for nylig fundet en undtagelse fra den 200 år gamle lov, kendt som Fouriers lov, der styrer, hvordan varme diffunderer gennem faste materialer.

Selvom videnskabsmænd tidligere har vist, at der er undtagelser fra loven på nanoskala, er forskningen offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , er den første til at vise, at loven ikke altid holder stik på makroskalaen, og at ren elektromagnetisk stråling også virker i nogle almindelige materialer som plastik og briller.

"Denne forskning begyndte med et simpelt spørgsmål," siger Steve Granick, Robert K. Barrett professor i polymervidenskab og teknik ved UMass Amherst og avisens seniorforfatter. "Hvad hvis varme kunne overføres via en anden vej, ikke kun den, som folk havde antaget?"

Strålingsvarme er den varme, vi føler fra solen; dens elektromagnetiske bølger varmer vores hud, når solen skinner. Diffusion er på den anden side, hvordan dit tekrus vil varme din hånd, efter du har skænket dig selv en frisk kop. I 200 år har forskere troet, at diffusion forklarer, hvordan varme bevæger sig gennem faste stoffer. "Men nogle gange," siger Granick, "kræver kreativitet, at du lægger lærebogen til side et øjeblik."

Granick, Shankar Ghosh fra Tata Institute for Fundamental Research og hovedforfatter Kaikai Zheng, en seniorforsker ved UMass Amherst, formodede, at en undtagelse fra Fouriers lov kunne findes i gennemskinnelige polymerer og uorganiske glas. Varme diffunderer gennem begge materialer, men holdet antog, at deres gennemskinnelighed også kunne tillade energi at udstråle gennem materialerne.

For at teste hypotesen placerede de prøver af materialerne i et vakuumkammer, hvilket ville eliminere den luft, der er ansvarlig for konvektiv fordeling af varme. De skabte derefter en varmepuls i den ene prøve ved at bruge en laser til at opvarme et lille område, og i den anden prøve opvarmede de den ene side, mens de holdt den anden side kold.

De brugte derefter et specielt infrarødt kamera til at se, mens varmen spredte sig gennem deres prøver. Ved at gentage eksperimentet mange gange blev de ved med at finde anomalier, som Fouriers lov ikke helt kunne forklare.

"Ingen har prøvet dette før," siger Zheng. "Der sker noget uventet inden for gennemskinnelige polymerer."

Det viser sig, at de gennemskinnelige materialer tillader energi at stråle internt og interagerer med små strukturelle ufuldkommenheder, som så bliver til sekundære varmekilder. Disse sekundære varmekilder fortsætter selv med at udstråle varme gennem materialet.

"Det er ikke, at Fouriers lov er forkert," er Granick hurtig til at understrege, "bare at den ikke forklarer alt, hvad vi ser, når det kommer til varmetransmission. Fundamental forskning som vores giver os en udvidet forståelse af, hvordan varme virker, hvilket vil tilbyde ingeniører nye strategier til at designe varmekredsløb."

Flere oplysninger: Granick, Steve et al., Undtagelser til Fouriers lov på makroskalaen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320337121. doi.org/10.1073/pnas.2320337121

Leveret af University of Massachusetts Amherst