Ett team av forskare under ledning av University of Massachusetts Amherst har nyligen hittat ett undantag från den 200 år gamla lagen, känd som Fouriers lag, som styr hur värme diffunderar genom fasta material.
Även om forskare tidigare har visat att det finns undantag från lagen på nanoskala, publicerades forskningen i Proceedings of the National Academy of Sciences , är den första som visar att lagen inte alltid stämmer på makroskala, och att ren elektromagnetisk strålning också är verksam i vissa vanliga material som plast och glasögon.
"Denna forskning började med en enkel fråga", säger Steve Granick, Robert K. Barrett professor i polymervetenskap och teknik vid UMass Amherst och tidningens senior författare. "Tänk om värme kunde överföras via en annan väg, inte bara den som folk hade antagit?"
Strålningsvärme är värmen som vi känner från solen; dess elektromagnetiska vågor värmer vår hud när solen skiner. Diffusion, å andra sidan, är hur din temugg kommer att värma din hand efter att du har hällt upp en ny kopp. I 200 år har forskare trott att diffusion förklarar hur värme färdas genom fasta ämnen. "Men ibland", säger Granick, "kräver kreativitet att du lägger läroboken åt sidan för en stund."
Granick, Shankar Ghosh från Tata Institute for Fundamental Research och huvudförfattaren Kaikai Zheng, senior forskare vid UMass Amherst, förmodade att ett undantag från Fouriers lag kan finnas i genomskinliga polymerer och oorganiska glas. Värme diffunderar genom båda materialen, men teamet antog att deras genomskinlighet också kunde tillåta energi att stråla genom materialen också.
För att testa hypotesen placerade de prover av materialen i en vakuumkammare, vilket skulle eliminera luften som är ansvarig för konvektiv värmefördelning. De skapade sedan en värmepuls i ett prov genom att använda en laser för att värma ett litet område, och i det andra provet värmde de upp ena sidan samtidigt som de höll den andra sidan kall.
De använde sedan en speciell infraröd kamera för att se hur värmen spred sig genom deras prover. Genom att upprepa experimentet många gånger hittade de hela tiden anomalier som Fouriers lag inte helt kunde förklara.
"Ingen har provat det här tidigare", säger Zheng. "Det händer något oväntat inom genomskinliga polymerer."
Det visar sig att de genomskinliga materialen tillåter energi att stråla internt och interagerar med små strukturella brister, som sedan blir sekundära värmekällor. Dessa sekundära värmekällor fortsätter själva att utstråla värme genom materialet.
"Det är inte så att Fouriers lag är fel", är Granick snabb att betona, "bara att den inte förklarar allt vi ser när det gäller värmeöverföring. Grundforskning som vår ger oss en utökad förståelse för hur värme fungerar, vilket kommer att erbjuda ingenjörer nya strategier för att designa värmekretsar."
Mer information: Granick, Steve et al, Exceptions to Fouriers Law at the Macroscale, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320337121. doi.org/10.1073/pnas.2320337121
Tillhandahålls av University of Massachusetts Amherst
