Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Massachusetts Amherst ha encontrado recientemente una excepción a la ley de 200 años de antigüedad, conocida como Ley de Fourier, que rige cómo se difunde el calor a través de materiales sólidos.
Aunque los científicos han demostrado anteriormente que existen excepciones a la ley en la nanoescala, la investigación, publicada en las Proceedings of the National Academy of Sciences , es el primero en demostrar que la ley no siempre se cumple en la escala macro, y que la radiación electromagnética pura también actúa en algunos materiales comunes como los plásticos y los vidrios.
"Esta investigación comenzó con una pregunta simple", dice Steve Granick, profesor Robert K. Barrett de ciencia e ingeniería de polímeros en la UMass Amherst y autor principal del artículo. "¿Qué pasaría si el calor pudiera transmitirse por otra vía, no sólo la que la gente había supuesto?"
El calor radiante es el calor que sentimos del sol; sus ondas electromagnéticas calientan nuestra piel cuando brilla el sol. La difusión, por otro lado, es la forma en que tu taza de té calentará tu mano después de que te hayas servido una taza nueva. Durante 200 años, los científicos han creído que la difusión explica cómo viaja el calor a través de los sólidos. "Pero a veces", dice Granick, "la creatividad requiere que dejes el libro de texto a un lado por un momento".
Granick, Shankar Ghosh del Instituto Tata de Investigación Fundamental y el autor principal Kaikai Zheng, investigador principal de la UMass Amherst, supusieron que se podría encontrar una excepción a la Ley de Fourier en los polímeros translúcidos y los vidrios inorgánicos. El calor se difunde a través de ambos materiales, pero el equipo planteó la hipótesis de que su translucidez también podría permitir que la energía se irradie a través de los materiales.
Para probar la hipótesis, colocaron muestras de los materiales en una cámara de vacío, lo que eliminaría el aire responsable de la distribución convectiva del calor. Luego crearon un pulso de calor en una muestra usando un láser para calentar un área pequeña y, en la otra muestra, calentaron un lado mientras mantenían el otro lado frío.
Luego utilizaron una cámara infrarroja especial para observar cómo el calor se propagaba a través de sus muestras. Al repetir el experimento muchas veces, siguieron encontrando anomalías que la Ley de Fourier no podía explicar del todo.
"Nadie había probado esto antes", afirma Zheng. "Está sucediendo algo inesperado dentro de los polímeros translúcidos."
Resulta que los materiales translúcidos permiten que la energía irradie internamente, interactuando con pequeñas imperfecciones estructurales, que luego se convierten en fuentes secundarias de calor. Estas fuentes de calor secundarias continúan irradiando calor a través del material.
"No es que la Ley de Fourier sea incorrecta", se apresura a enfatizar Granick, "sólo que no explica todo lo que vemos cuando se trata de la transmisión de calor. Investigaciones fundamentales como la nuestra nos brindan una comprensión ampliada de cómo funciona el calor, lo que ofrecer a los ingenieros nuevas estrategias para diseñar circuitos de calefacción."
Más información: Granick, Steve et al, Excepciones a la ley de Fourier en la macroescala, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2320337121. doi.org/10.1073/pnas.2320337121
Proporcionado por la Universidad de Massachusetts Amherst
