Екип изследователи наскоро откри изключение от 200-годишния закон, известен като Закон на Фурие, който управлява как топлината се разпространява през твърди материали.

Че има изключения от закона в наномащаб, е известно отдавна. 

Новото изследване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, обаче е първото, което показва, че законът не винаги е верен и в макромащаб и че чистото електромагнитно излъчване действа и в някои често срещани материали като пластмаси и стъкла.

"Това изследване започна с прост въпрос", разказва Стив Граник (Steve Granick), професор по полимерна химия и инженерство в Университета на Масачузетс Амхърст и старши автор на статията. "Ами ако топлината можеше да се предава по друг начин, а не само по този, който хората предполагат?"

Лъчистата топлина е топлината, която усещаме от слънцето, неговите електромагнитни вълни затоплят кожата ни, когато грее слънцето. Дифузията, от друга страна, е начинът, по който чаша с горещ чай може да стопли ръката ви.

В продължение на 200 години учените са вярвали, че дифузията обяснява как топлината преминава през твърди тела. "Но понякога креативността изисква да оставите учебника настрана за момент", коментира Граник.

Граник, Шанкар Гош (Shankar Ghosh) от Института за фундаментални изследвания на Тата и водещият автор Кайкай Джън (Kaikai Zheng), старши научен сътрудник в Университета на Масачузетс Амхърст, предполагат, че изключение от закона на Фурие може да се намери в полупрозрачни полимери и неорганични стъкла. Топлината се разпространява през двата материала, но екипът предполага, че тяхната полупрозрачност може също да позволи на енергията да се излъчва и през материалите.

За да проверят хипотезата, те поставят проби от материалите във вакуумна камера, която би елиминирала въздуха, който е отговорен за конвективното разпространение на топлината. След това те създават топлинен импулс в една проба, използвайки лазер за нагряване на малка площ, а в другата проба загряват едната страна, като същевременно запазват другата страна студена.

След това с помошта на специална инфрачервена камера, за да наблюдават как топлината се разпространява през техните проби. Повтаряйки експеримента много пъти, те продължават да откриват аномалии, които законът на Фурие не може да обясни напълно.

"Никой не е опитвал това преди", отбелязва Джън. "Има нещо неочаквано, което се случва в полупрозрачните полимери."

Оказва се, че полупрозрачните материали позволяват на енергията да излъчва вътрешно, взаимодействайки с малки структурни несъвършенства, които след това се превръщат във вторични източници на топлина. Самите тези вторични източници на топлина продължават да излъчват топлина през материала.

"Не че законът на Фурие е грешен", бърза да подчертае Граник, "само че не обяснява всичко, което виждаме, когато става въпрос за пренос на топлина. Фундаментални изследвания като нашите ни дават по-разширено разбиране за това как работи топлината, което ще предложи на инженерите нови стратегии за проектиране на топлинни вериги."

Справка: Granick, Steve et al, Exceptions to Fourier's Law at the Macroscale, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2320337121. doi.org/10.1073/pnas.2320337121

Източник: Researchers find exception to 200-year-old scientific law governing heat transfer, University of Massachusetts Amherst

Още по темата

29/04/2022

Физика

Съавторът на теорията на относителността, който зададе загадка, нерешена 100 години

21/03/2022

Математика

На тази дата е роден Фурие, баронът на Наполеон, написал "велика поема на математиката"

04/01/2016

Животът

Получена е първата топлинна снимка на отделна клетка

20/02/2023

Скептик

Памет на водата или как ни промиват мозъка