Напівпрозорі матеріали розширюють знання про теплопередачу

Теплопередача – один з найдавніших відомих законів фізики. Вперше формалізований Нетвоном, а потім узагальнений Жаном-Батистом Жозефом Фур’є, однойменний закон Фур’є протягом століть був неперевершеним для пояснення того, як тепло поширюється через твердий об’єкт. Однак зараз дослідники виявили, що ці закони, безумовно, не є повними.

Було встановлено, що на нанорівні закон Фур’є не пояснює всю передачу тепла. Але все ж таки закон можна розглядати як узагальнення, яке працює на макромасштабі. Проте дослідникам було цікаво подивитися, чи можуть ці винятки траплятися і в чомусь більшому – і виявилося, що за певних умов вони трапляються.

“Це дослідження почалося з простого запитання, – говорить Стів Гранік, професор полімерної науки та інженерії імені Роберта К. Баррета в Університеті штату Массачусетс в Амхерсті і старший автор статті, – що, якби тепло передавалося від одного джерела до іншого? “Що, якби тепло могло передаватися іншим шляхом, а не тільки тим, який люди припускали?”

Їхня проста ідея полягала в тому, що тепло може передаватися через провідність у твердому тілі, але якщо це тіло прозоре, воно також може передаватися випромінюванням. Вони перевірили це на напівпрозорих полімерах і неорганічному склі.

Вони помістили ці матеріали у вакуум, щоб передача повітря не відігравала ролі, і нагріли одну сторону цих матеріалів лазером і виміряли дифузію тепла за допомогою тепловізорів. Закон Фур’є сам по собі не міг би пояснити те, що команда змогла спостерігати.

“Ніхто не намагався зробити це раніше”, – додав провідний автор Кайкай Чжен, також з Массачусетського університету в Амхерсті. “У напівпрозорих полімерах відбувається щось несподіване”.

“Справа не в тому, що закон Фур’є неправильний, – поспішив підкреслити Гранік, – просто він не пояснює все, що ми бачимо, коли йдеться про передачу тепла. Фундаментальні дослідження, подібні до нашого, дають нам розширене розуміння того, як працює тепло, що запропонує інженерам нові стратегії для проєктування теплових ланцюгів”.

Команда вважає, що напівпрозорі матеріали дозволяють енергії випромінюватися всередину. І це випромінювання нагріває недосконалості матеріалу, які стають вторинними джерелами тепла, що також випромінюють крізь матеріал. Ось чому непрозорі матеріали не показують такого відхилення від закону Фур’є.