Ученые выявили нарушение закона Фурье после 200 лет — новое открытие в теплопередаче

Ученые обнаружили историческое исключение из 200-летнего научного принципа, урегулировавшего распространение тепла через твердые материалы. Новейшее исследование было опубликовано в PNAS.

Этот принцип, известный как закон Фурье, ранее объяснял, как тепло передается или проводится через твердые материалы. Согласно этому закону, тепло распространяется от более горячей части объекта к более холодной с разной скоростью, зависящей от разницы температур и площади, через которую происходит теплопередача.

Однако в течение последних нескольких десятилетий исследователи обнаружили, что на наноуровне этот принцип не всегда соблюдается. Закон Фурье нарушается, и больше не может точно предсказать скорость распространения тепла через твердые материалы.

Физик-полимерщик Кайкай Чжэн из Массачусетского университета в Амхерсте и его коллеги задались вопросом, существуют ли подобные исключения из закона Фурье, которые можно обнаружить на макроскопическом уровне, в прозрачных материалах, таких как полупрозрачные полимеры и неорганические стекла.

Поскольку эти материалы частично пропускают свет некоторых длин волн, их прозрачность позволяет тепловой энергии передаваться через них в форме теплового излучения. Это особенно актуально для инфракрасного излучения, например, для тепла, которое мы ощущаем от солнечных лучей.

"Это исследование началось с простого вопроса", — поясняет 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, который предполагали люди?"

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи провели серию экспериментов, используя специально изготовленную вакуумную камеру, чтобы исключить возможность рассеивания тепла через воздух. Они обнаружили, что в некоторых случаях тепло передается через прозрачные материалы быстрее, чем можно было бы ожидать согласно закону Фурье.

"Данные показывают, что нагрев происходил быстрее, чем можно было бы объяснить диффузией", — отмечают исследователи, — "подчеркивая важность излучения в тепловом потоке, особенно в начальные периоды после теплового импульса".

"Это не значит, что закон Фурье неверен", — поясняет Граник, — "просто он не охватывает все аспекты теплопередачи в твердых телах".

Исследователи предполагают, что структурные особенности прозрачных материалов могут способствовать передаче тепла через них, даже если они не полностью поглощают свет.

Это может помочь инженерам разрабатывать более эффективные стратегии управления теплом в таких материалах, что представляет особый интерес, учитывая, что этот аспект был освещен только сравнительно недавно, по сравнению с датой первоначального описания явления более двух веков назад.