研究人员发现200年前的传热科学定律存在例外

由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的一组研究人员最近发现了200年前的傅立叶定律的一个例外，该定律控制着热量如何通过固体材料扩散。

尽管科学家之前已经表明，纳米尺度上的定律也有例外，但发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究首次表明，该定律在宏观尺度上并不总是成立，并且纯电磁辐射也在塑料和玻璃等一些常见材料中起作用。

“这项研究始于一个简单的问题，”麻省大学阿默斯特分校聚合物科学与工程教授、该论文的资深作者SteveGranick说。“如果热量可以通过另一种途径传播，而不仅仅是人们假设的途径呢?”

辐射热是我们从太阳中感受到的热量;当阳光照射时，它的电磁波会温暖我们的皮肤。另一方面，扩散是指在您给自己倒了一杯新茶后，茶杯如何温暖您的手。200年来，科学家们一直相信扩散可以解释热量如何在固体中传播。“但有时，”格兰尼克说，“创造力需要你暂时把教科书放在一边。”

格拉尼克、塔塔基础研究所的尚卡尔·戈什和主要作者、麻省大学阿默斯特分校的高级研究员郑凯凯推测，傅立叶定律的一个例外可能存在于半透明聚合物和无机玻璃中。热量通过这两种材料扩散，但研究小组假设它们的半透明性也可能允许能量通过材料辐射。

为了验证这一假设，他们将材料样本放置在真空室中，这将消除导致热量对流分布的空气。然后，他们使用激光加热一小块区域，在一个样品中产生热脉冲，并在另一个样品中加热一侧，同时保持另一侧冷却。

然后，他们使用特殊的红外摄像机观察热量在样品中的传播情况。在多次重复实验的过程中，他们不断发现傅立叶定律无法完全解释的异常现象。

“以前没有人尝试过这个，”郑说。“半透明聚合物中发生了一些意想不到的事情。”

事实证明，半透明材料允许能量在内部辐射，与小的结构缺陷相互作用，然后成为二次热源。这些二次热源本身继续通过材料辐射热量。

“并不是说傅里叶定律是错误的，”格拉尼克很快强调，“只是它并不能解释我们在热传递方面所看到的一切。像我们这样的基础研究让我们对热的工作原理有了更广泛的了解，这将有助于我们更好地理解热传递。”为工程师提供设计热回路的新策略。”