Los científicos han descubierto una excepción a una ley científica de 200 años de antigüedad que rige cómo se difunde el calor a través de materiales sólidos.
Conocido como ley de fourierdescribe cómo se transfiere el calor, o llevado a cabo, a través de materiales sólidos. A medida que las moléculas vibran y los electrones se desplazan, el calor se difunde desde el extremo más caliente de un objeto hacia el extremo más frío, a una velocidad proporcional a esa diferencia de temperatura y al área a través de la cual fluye el calor.
Sin embargo, en el últimas décadaslos investigadores han descubierto que en la nanoescala, este modelo de difusión no funciona; La ley de Fourier no se cumple
El físico de polímeros Kaikai Zheng de la Universidad de Massachusetts, Amherst y sus colegas se preguntaron si podrían encontrarse excepciones similares a la ley de Fourier en la macroescala, en materiales transparentes como polímeros translúcidos y vidrios inorgánicos.
Ser translúcido, estos materiales dejan pasar algunas longitudes de onda de luz. Aunque la luz no se absorbe totalmente como en los materiales opacos, sí se dispersa, rebotando en las impurezas de la estructura del material.
Esto llevó a Zheng y sus colegas a plantear la hipótesis de que, además de que el calor se difunde a través de estos materiales sólidos, su translucidez también podría permitir que la energía térmica viaje a través de los materiales en forma de radiación térmica. Calor radiante
“Esta investigación comenzó con una pregunta simple”, explica El autor principal Steve Granick, científico de materiales también de la Universidad de Massachusetts, Amherst. “¿Y si el calor pudiera transmitirse [through solids] ¿Por otro camino, no sólo el que la gente había asumido?”
Entonces, los investigadores sujetaron tiras de materiales de prueba y las suspendieron, una por una, dentro de una cámara de vacío hecha a medida. El vacío eliminó la posibilidad de que el calor se disipara de los materiales a través del aire.
“Para encontrar violaciones [in Fourier’s law] a escalas macroscópicas sería sorprendente, ya que iría más allá del pensamiento estándar de los libros de texto”, afirman los investigadores. escribir en su papelreflexionando sobre su pensamiento al realizar los experimentos.
El equipo disparó pulsos de láser de una fracción de segundo a los materiales para calentarlos y midió cómo el calor se propaga a través de cada uno de los materiales utilizando tres métodos: un sensor de temperatura colocado directamente sobre la superficie del material; medir el cambio de color de un revestimiento sensible a la temperatura pintado sobre la muestra; y una cámara de infrarrojos.
“Los datos muestran que la calefacción [occurred] más rápido de lo que se puede atribuir a la difusión”, afirman los investigadores. escribir“lo que indica que la radiación contribuye significativamente al flujo de calor durante los primeros momentos después de un pulso de calor, aunque la contribución relativa de la radiación disminuye a medida que la difusión se vuelve dominante en momentos posteriores”.
“No es que la ley de Fourier sea incorrecta”, Granick aclara“solo que no explica todo lo que vemos cuando se trata de transmisión de calor”.
El equipo sugiere que los materiales translúcidos irradian calor internamente porque las imperfecciones estructurales actúan como absorbentes y fuentes de calor, permitiendo que el calor se propague de un punto a otro en lugar de difundirse lentamente.
Ellos agregar que sus hallazgos podrían ayudar a los ingenieros a diseñar nuevas estrategias para la gestión del calor en materiales translúcidos, ahora que su estudio proporciona una mayor comprensión de cómo se propaga el calor en los sólidos, unos 200 años después de que este fenómeno se describiera por primera vez en términos matemáticos.
El estudio ha sido publicado en PNAS.