Een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft onlangs een uitzondering gevonden op de 200 jaar oude wet, bekend als de wet van Fourier, die bepaalt hoe warmte door vaste materialen diffundeert.

Hoewel wetenschappers eerder hebben aangetoond dat er op nanoschaal uitzonderingen op de wet bestaan, blijkt uit het onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , is de eerste die aantoont dat de wet op macroschaal niet altijd opgaat, en dat pure elektromagnetische straling ook aan het werk is in een aantal veel voorkomende materialen zoals plastic en glas.

"Dit onderzoek begon met een simpele vraag", zegt Steve Granick, Robert K. Barrett hoogleraar Polymer Science and Engineering aan UMass Amherst en senior auteur van het artikel. "Wat als warmte via een ander pad zou kunnen worden overgedragen, en niet alleen via het pad dat mensen hadden aangenomen?"

Stralingswarmte is de warmte die we voelen van de zon; de elektromagnetische golven verwarmen onze huid als de zon schijnt. Verspreiding daarentegen is de manier waarop uw theemok uw hand verwarmt nadat u een vers kopje voor uzelf heeft ingeschonken. Al 200 jaar geloven wetenschappers dat diffusie verklaart hoe warmte zich door vaste stoffen verplaatst. "Maar soms", zegt Granick, "vereist creativiteit dat je het leerboek even opzij legt."

Granick, Shankar Ghosh van het Tata Institute for Fundamental Research en hoofdauteur Kaikai Zheng, een senior research fellow bij UMass Amherst, vermoedden dat een uitzondering op de wet van Fourier zou kunnen worden gevonden in doorschijnende polymeren en anorganische glazen. Warmte diffundeert door beide materialen, maar het team veronderstelde dat hun doorschijnendheid er ook voor zou kunnen zorgen dat er energie door de materialen straalt.

Om de hypothese te testen plaatsten ze monsters van de materialen in een vacuümkamer, waardoor de lucht werd geëlimineerd die verantwoordelijk is voor de convectieve warmteverdeling. Vervolgens creëerden ze een warmtepuls in het ene monster door een laser te gebruiken om een ​​klein gebied te verwarmen, en in het andere monster verwarmden ze de ene kant terwijl ze de andere kant koud hielden.

Vervolgens gebruikten ze een speciale infraroodcamera om te kijken hoe de hitte zich door hun monsters verspreidde. Door het experiment vele malen te herhalen, bleven ze afwijkingen ontdekken die de wet van Fourier niet volledig kon verklaren.

"Niemand heeft dit eerder geprobeerd", zegt Zheng. "Er gebeurt iets onverwachts in doorschijnende polymeren."

Het blijkt dat de doorschijnende materialen ervoor zorgen dat energie naar binnen kan stralen, waardoor er interactie ontstaat met kleine structurele onvolkomenheden, die vervolgens secundaire warmtebronnen worden. Deze secundaire warmtebronnen blijven zelf warmte door het materiaal uitstralen.

“Het is niet zo dat de wet van Fourier verkeerd is,” benadrukt Granick snel, “maar alleen dat deze niet alles verklaart wat we zien als het gaat om warmteoverdracht. Fundamenteel onderzoek zoals het onze geeft ons een uitgebreider inzicht in hoe warmte werkt, wat bied ingenieurs nieuwe strategieën voor het ontwerpen van verwarmingscircuits."

Meer informatie: Granick, Steve et al., Uitzonderingen op de wet van Fourier op macroschaal, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320337121. doi.org/10.1073/pnas.2320337121

Aangeboden door Universiteit van Massachusetts Amherst