Обнаружено поразительное исключение из 200-летнего закона физики

Ученые обнаружили исключение из 200-летнего научного закона, регулирующего распространение тепла через твердые материалы.

Известный как закон Фурье, он описывает, как тепло передается или проводится через твердые материалы. материалы. Когда молекулы колеблются, а электроны перемещаются, тепло распространяется от более горячего конца объекта к более холодному со скоростью, пропорциональной разнице температур и площади, через которую проходит тепло.

Однако За последние несколько десятилетий исследователи обнаружили, что на наноуровне эта модель диффузии не работает; Закон Фурье не работает и больше не предсказывает, насколько быстро или медленно тепло будет проходить через твердый материал.

Физик-полимерщик Кайкай Чжэн из Массачусетского университета в Амхерсте и его коллеги задались вопросом, могут ли быть подобные исключения из закона Фурье. можно найти на макроуровне в прозрачных материалах, таких как полупрозрачные полимеры и неорганические стекла.

Будучи полупрозрачными, эти материалы пропускают свет с некоторыми длинами волн. Хотя свет не полностью поглощается, как в непрозрачных материалах, он рассеивается, отражаясь от примесей в структуре материала.

Это привело Чжэна и его коллег к гипотезе, что помимо распространения тепла через эти твердые материалы , их полупрозрачность также может позволить тепловой энергии проходить через материалы в форме теплового излучения. Лучистое тепло переносится по воздуху в виде электромагнитных волн, в основном инфракрасного излучения. Примером может служить тепло, которое мы ощущаем от солнечных лучей.

«Это исследование началось с простого вопроса», — объясняет старший автор Стив Граник. , ученый-материаловед из Массачусетского университета в Амхерсте. «Что, если тепло могло бы передаваться [через твердые тела] другим путем, а не только тем, как предполагали люди?»

Поэтому исследователи зажали полоски тестовых материалов и подвешивали их одну за другой внутри вакуумная камера индивидуального изготовления. Вакуум устранил возможность рассеивания тепла из материалов через воздух.

«Обнаружение нарушений [закона Фурье] в макроскопических масштабах было бы поразительным, поскольку это выходило бы за рамки стандартного мышления из учебника», — пишут исследователи в свою статью, размышляя над своим мышлением в ходе экспериментов.

Команда обстреливала материалы импульсами лазера длительностью долей секунды, чтобы нагреть их, и измеряла, как тепло распространяется через каждый из материалов, используя три метода: датчик температуры, размещенный непосредственно на поверхности материала; измерение изменения цвета термочувствительного покрытия, нанесенного на образец; и инфракрасная камера.

«Данные показывают, что нагрев [происходил] быстрее, чем можно объяснить диффузией», — пишут исследователи, — «указывая на то, что излучение вносит значительный вклад в тепловой поток в ранние периоды после теплового импульса, хотя относительный вклад излучения уменьшается по мере того, как диффузия становится доминирующей в более поздние моменты времени».

«Дело не в том, что закон Фурье неверен, – поясняет Граник, – просто он не объясняет всего, что мы видим, когда он возникает. для передачи тепла».

Команда предполагает, что полупрозрачные материалы излучают тепло внутрь, потому что структурные несовершенства действуют как поглотители и источники тепла, позволяя теплу распространяться от точки к точке, а не медленно рассеиваться.

Они добавляют, что их результаты могут помочь инженерам разработать новые стратегии управления теплом в полупрозрачных материалах теперь, когда их исследование обеспечивает расширенное понимание того, как тепло распространяется в твердых телах – примерно через 200 лет после того, как это явление было впервые описано в математических терминах. p>

Исследование опубликовано в PNAS.