Ученые нашли удивительное исключение из 200-летнего закона физики

Амхерст, Массачусетс – 200-летний научный закон был отменен. Совершив крупный научный прорыв, команда из Массачусетского университета в Амхерсте обнаружила примечательное исключение из… Закон ФурьеЭтот принцип был краеугольным камнем понимания распространения тепла через твердые тела на протяжении более двух столетий.

Это знаковое исследование дает первое свидетельство того, что закон может не охватывать все механизмы теплопередачи на макроуровне, особенно в таких распространенных материалах, как пластик и стекло.

Закон Фурье, названный в честь французского математика и физика Жана-Батиста Жозефа Фурье, утверждает, что тепло передается через твердые тела путем диффузии — процесс, аналогичный тому, как горячая чашка чая постепенно согревает ваши руки. Однако это новое исследование предполагает, что в некоторых материалах тепло может также распространяться посредством чистого электромагнитного излучения — способа передачи энергии, который мы обычно воспринимаем как тепло солнца.

«Это огромная проблема», — говорит старший автор исследования Стив Граник, исследователь Роберта К. Институт полимерной науки и техники Барретта при Массачусетском университете в Амхерсте: «Это исследование началось с простого вопроса». Университетский выпуск. «Что, если тепло можно было бы передавать по другому пути, а не только по тому пути, который выбрали люди?»

Их исследования были сосредоточены на прозрачных полимерах и неорганическом стекле, выбранных из-за их полупрозрачной природы, которые, по предположению команды, могут позволять энергии проходить через них аналогично тому, как свет проникает в эти материалы. Эксперименты проводились в вакуумной камере, чтобы исключить влияние воздуха, который может способствовать конвективному перемещению тепла. Применяя тепловой импульс с помощью лазера и отслеживая распространение тепла через материал с помощью усовершенствованной инфракрасной камеры, исследователи наблюдали аномалии, которые невозможно полностью объяснить одним только законом Фурье.

«Никто раньше этого не пробовал», — говорит ведущий автор исследования Кайкай Ченг, старший научный сотрудник Массачусетского университета в Амхерсте. «Внутри прозрачных полимеров происходит что-то неожиданное».

То, что они обнаружили, было новаторским: прозрачная природа этих материалов способствовала внутреннему излучению энергии. Это излучение взаимодействует с незначительными структурными дефектами внутри материалов, превращая их во вторичные источники теплового излучения. Этот процесс представляет собой новый механизм теплопередачи, отличный от процесса диффузии, описываемого законом Фурье.

«Дело не в том, что закон Фурье неверен, но он не объясняет всего, что мы видим, когда речь идет о теплопередаче», — объясняет Гранек. «Фундаментальные исследования, подобные нашему, дают нам более глубокое понимание того, как работает тепло, что предоставит инженерам новые стратегии проектирования тепловых цепей».

Это исследование, поддержанное Фондом семьи Барреттов и Корейским институтом фундаментальных наук, не только бросает вызов устоявшимся научным убеждениям, но и подчеркивает важность фундаментальных исследований в раскрытии сложных механизмов нашего физического мира. Ставя под сомнение устоявшиеся знания и исследуя неизведанное, команда Массачусетского университета в Амхерсте проложила путь к будущим инновациям в области материаловедения и инженерии.

Исследование опубликовано в журнале Труды Национальной академии наук.