Нарушены законы теплопередачи: полимеры и стекла бросают вызов 200-летнему учению

Ученые обнаружили исключение из 200-летнего закона природы, что ставит под вопрос универсальность закона Фурье, описывающего процесс теплопроводности в твердых телах. Исследование, проведенное специалистами из Университета Массачусетса в Амхерсте, показало , что тепло может передаваться не только за счет разности температур и площади поперечного сечения, как предполагает закон Фурье, но и благодаря другим механизмам.

Старинный закон утверждает, что количество тепла, передаваемое через объект, зависит от градиента температур и области, перпендикулярной этому градиенту. Это объясняет, почему горячий напиток в кружке постепенно нагревает наши руки через твердую стенку кружки. Несмотря на то что известны некоторые исключения из этого правила на наноуровне, ученые теперь показали, что закон не всегда работает и в макромасштабе.

"Это не значит, что закон Фурье неверен, — говорит Стив Граник, профессор полимерной науки и инженерии в UMass Amherst и старший автор исследования. — Просто он не объясняет все аспекты передачи тепла, с которыми мы сталкиваемся. Наше фундаментальное исследование расширяет понимание процессов теплопередачи, предлагая инженерам новые стратегии для проектирования тепловых цепей".

Исследователи обратили внимание на прозрачные полимеры и неорганические стекла, через которые тепло может диффундировать. Благодаря их прозрачности предполагалось, что энергия может также радиационно передаваться через эти материалы. В ходе экспериментов было выявлено, что энергия внутри этих материалов взаимодействует с мелкими структурными несовершенствами, создавая вторичные источники тепла.

"Никто раньше не пытался это исследовать, — говорит ведущий автор исследования Кайкай Жэн, старший научный сотрудник UMass Amherst. — В прозрачных полимерах происходит что-то неожиданное". Для проверки гипотезы использовались образцы прозрачных материалов, помещенные в вакуум, чтобы исключить влияние воздуха. В одном эксперименте тепло подводилось с помощью лазера, в другом — нагревалась только одна сторона образца. Инфракрасная камера позволила увидеть, что происходит с каждым образцом, и каждый раз результаты были необычными, демонстрируя исключения из закона Фурье.

"Иногда для творчества нужно отложить учебник в сторону", — подчеркивает Граник. Это открытие не только вызывает вопросы о полноте понимания процессов теплопередачи, но и открывает новые возможности для разработки технологий в области материаловедения и инженерии.