استثنای شگفت‌انگیزی در قانون فوریه
دانشمندان استثنایی را برای یک قانون علمی 200 ساله کشف کرده اند که نحوه انتشار گرما از مواد جامد را کنترل می کند.
این قانون که به عنوان قانون فوریه شناخته می شود، چگونگی انتقال یا هدایت گرما را از طریق مواد جامد توصیف می کند.
با ارتعاش مولکول‌ها و جابه‌جایی الکترون‌ها، گرما از انتهای داغ‌تر یک جسم به انتهای سردتر پخش می‌شود،
و سرعتی که متناسب با آن اختلاف دما و ناحیه‌ای است که گرما از طریق آن جریان می‌یابد.
با این حال، در چند دهه گذشته، محققان دریافته اند که در مقیاس نانو، این مدل از انتشار کار نمی کند.
قانون فوریه شکست و دیگر پیش بینی نمی کند که گرما با چه سرعتی یا کندی در یک ماده جامد حرکت می کند.
فیزیکدانان تعجب کردند که آیا ممکن است استثناهای مشابهی برای قانون فوریه در مقیاس ماکرو، در مواد شفاف مانند پلیمرهای نیمه شفاف و شیشه های معدنی وجود داشته باشد.
از آنجایی که این مواد شفاف هستند، اجازه می دهند برخی از طول موج های نور از خود عبور کنند.
اگرچه نور مانند مواد مات کاملا جذب نمی شود، اما پراکنده می شود و ناخالصی ها را در ساختار مواد دفع می کند.
این امر ژنگ و همکارانش را به این فرضیه سوق داد که علاوه بر انتشار گرما از طریق این مواد جامد، شفافیت آنها نیز ممکن است به انرژی گرمایی اجازه دهد که از طریق مواد به شکل تابش گرمایی نیز عبور کند.
گرمای تابشی از طریق هوا به صورت امواج الکترومغناطیسی، عمدتاً تابش مادون قرمز، منتقل می‌شود و یک مثال گرمایی است که از پرتوهای خورشید احساس می‌کنیم.
استیو گرانیک، نویسنده ارشد، دانشمند مواد در دانشگاه ماساچوست، آمهرست، توضیح می دهد:
“این تحقیق با یک سوال ساده آغاز شد.” “اگر گرما می تواند [از طریق جامدات] از طریق مسیر دیگری منتقل شود، نه فقط مسیری که مردم تصور می کردند؟”
بنابراین محققان نوارهایی از مواد آزمایشی را بستند و آنها را یکی یکی در داخل یک محفظه خلاء سفارشی آویزان کردند. خلاء امکان دفع گرما از مواد از طریق هوا را از بین برد.
محققان در مقاله خود می نویسند:
«پیدا کردن نقض [در قانون فوریه] در مقیاس های ماکروسکوپی شگفت انگیز است زیرا این امر فراتر از تفکر استاندارد کتاب درسی است.
این تیم پالس‌های لیزری چند ثانیه‌ای را به سمت مواد شلیک کردند تا آنها را گرم کنند و نحوه انتشار گرما در هر یک از مواد را با استفاده از سه روش اندازه‌گیری کردند:
یک سنسور دما که مستقیماً روی سطح ماده قرار می‌گیرد. اندازه گیری تغییر رنگ یک پوشش حساس به دما که روی نمونه نقاشی می شود و یک دوربین مادون قرمز
محققان می‌نویسند:
«داده‌ها نشان می‌دهند که گرمایش سریع‌تر از آن چیزی است که می‌توان به انتشار نسبت داد، نشان می‌دهد که تشعشع به طور قابل‌توجهی به شار گرما در زمان‌های اولیه پس از یک پالس گرما کمک می‌کند، اگرچه سهم نسبی تشعشع با غالب شدن انتشار کاهش می‌یابد. زمان های بعد.”
گرانیک توضیح می‌دهد:
«قانون فوریه اشتباه نیست، فقط به این دلیل است که همه چیزهایی را که در مورد انتقال گرما می‌بینیم توضیح نمی‌دهد».
این تیم پیشنهاد می‌کند که مواد نیمه‌شفاف، گرما را در داخل ساطع می‌کنند،
زیرا عیوب ساختاری به‌عنوان جاذب‌ها و منابع گرما عمل می‌کنند و به گرما اجازه می‌دهند تا از نقطه‌ای به نقطه دیگر به جای انتشار آهسته منتشر شود.
آنها اضافه می کنند که یافته های آنها می تواند به مهندسان کمک کند تا استراتژی های جدیدی برای مدیریت گرما در مواد نیمه شفاف طراحی کنند،
اکنون که مطالعه آنها درک گسترده ای از نحوه انتشار گرما در جامدات ارائه می دهد – حدود 200 سال پس از اینکه این پدیده برای اولین بار در اصطلاحات ریاضی توصیف شد.
