Exceção surpreendente descoberta na lei da física de 200 anos: WebCuriosos

Os cientistas descobriram uma exceção a uma lei científica de 200 anos que rege a forma como o calor se difunde através de materiais sólidos.

Conhecido como Lei de Fourierdescreve como o calor é transferido, ou conduzidoatravés de materiais sólidos. À medida que as moléculas vibram e os elétrons se movem, o calor se difunde da extremidade mais quente de um objeto para a extremidade mais fria, a uma taxa que é proporcional à diferença de temperatura e à área através da qual o calor flui.

No entanto, no últimas décadasos pesquisadores descobriram que em nanoescala esse modelo de difusão não funciona; A lei de Fourier quebra e não prevê mais quão rápido ou lento o calor se moverá através de um material sólido.

O físico de polímeros Kaikai Zheng, da Universidade de Massachusetts, Amherst e colegas se perguntaram se poderia haver exceções semelhantes à lei de Fourier encontradas em macroescala, em materiais transparentes, como polímeros translúcidos e vidros inorgânicos.

Ser translúcidoesses materiais deixam passar alguns comprimentos de onda de luz. Embora a luz não seja totalmente absorvida como nos materiais opacos, ela se espalha, refletindo nas impurezas da estrutura do material.

Isso levou Zheng e colegas a levantar a hipótese de que, além da difusão do calor através desses materiais sólidos, sua translucidez também poderia permitir que a energia térmica viajasse através dos materiais na forma de radiação térmica. Calor radiante é transportado pelo ar na forma de ondas eletromagnéticas, principalmente radiação infravermelha, e um exemplo é o calor que sentimos dos raios solares.

“Esta pesquisa começou com uma pergunta simples” explica autor sênior Steve Granick, cientista de materiais também da Universidade de Massachusetts, Amherst. “E se o calor pudesse ser transmitido [through solids] por outro caminho, não apenas aquele que as pessoas assumiram?”

Assim, os pesquisadores prenderam tiras de materiais de teste e as suspenderam, uma por uma, dentro de uma câmara de vácuo feita sob medida. O vácuo eliminou a possibilidade de dissipação de calor dos materiais através do ar.

“Para encontrar violações [in Fourier’s law] em escalas macroscópicas seria surpreendente, pois isso iria além do pensamento padrão dos livros didáticos”, os pesquisadores escreva em seu papelrefletindo sobre seu pensamento durante os experimentos.

A equipe disparou pulsos de laser de fração de segundo nos materiais para aquecê-los e mediu como o calor se espalhava por cada um dos materiais usando três métodos: um sensor de temperatura colocado diretamente na superfície do material; medir a mudança de cor de um revestimento sensível à temperatura pintado na amostra; e uma câmera infravermelha.

“Os dados mostram aquecimento [occurred] mais rápido do que pode ser atribuído à difusão”, os pesquisadores escrever“indicando que a radiação contribui significativamente para o fluxo de calor durante os primeiros tempos após um pulso de calor, embora a contribuição relativa da radiação diminua à medida que a difusão se torna dominante em momentos posteriores.”

“Não é que a Lei de Fourier esteja errada”, Granick esclarece“só que não explica tudo o que vemos quando se trata de transmissão de calor.”

A equipe sugere que os materiais translúcidos irradiam calor internamente porque as imperfeições estruturais atuam como absorvedores e fontes de calor, permitindo que o calor se propague de ponto a ponto, em vez de se difundir lentamente.

Eles adicionar que as suas descobertas poderiam ajudar os engenheiros a conceber novas estratégias para a gestão do calor em materiais translúcidos, agora que o seu estudo fornece uma compreensão alargada de como o calor se espalha nos sólidos – cerca de 200 anos depois deste fenómeno ter sido descrito pela primeira vez em termos matemáticos.

O estudo foi publicado em PNAS.