Revolução da transferência de calor: expondo falhas na lei de 200 anos

A equipe de pesquisa reescreve os livros mostrando que a radiação eletromagnética é um caminho independente para a transmissão de calor em materiais translúcidos.

Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Massachusetts Amherst encontrou recentemente uma exceção à lei de 200 anos, conhecida como Lei de Fourier, que rege como o calor se difunde através de materiais sólidos. Embora os cientistas tenham demonstrado anteriormente que existem exceções à lei no nanoescalaa pesquisa, publicada no Anais da Academia Nacional de Ciênciasé o primeiro a mostrar que a lei nem sempre é verdadeira na escala macro e que a radiação eletromagnética pura também atua em alguns materiais comuns, como plásticos e vidros.

Explorando novos caminhos de transmissão de calor

“Esta pesquisa começou com uma pergunta simples”, diz Steve Granick, professor Robert K. Barrett de Ciência e Engenharia de Polímeros na UMass Amherst e autor sênior do artigo. “E se o calor pudesse ser transmitido por outro caminho, não apenas aquele que as pessoas presumiam?”

O calor radiante é o calor que sentimos do sol; suas ondas eletromagnéticas aquecem nossa pele quando o sol brilha. A difusão, por outro lado, é como a caneca de chá aquece sua mão depois que você se serve de uma xícara nova. Durante 200 anos, os cientistas acreditaram que a difusão explica como o calor viaja através dos sólidos. “Mas às vezes”, diz Granick, “a criatividade exige que você deixe o livro de lado por um momento”.

Zheng e Granick trabalhando no laboratório. Esta foto foi tirada usando a câmera infravermelha que eles usaram em seus experimentos. As cores medem temperaturas. Observe que a pele deles está quente e os cabelos mais frios. Crédito: Universidade de Massachusetts Amherst

Descobertas experimentais além da lei de Fourier

Granick, Shankar Ghosh do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental e o autor principal Kaikai Zheng, pesquisador sênior da UMass Amherst, presumiram que uma exceção à Lei de Fourier poderia ser encontrada em polímeros translúcidos e vidros inorgânicos. O calor se difunde através de ambos os materiais, mas a equipe levantou a hipótese de que sua translucidez também poderia permitir que a energia irradiasse através dos materiais.

Para testar a hipótese, eles colocaram amostras dos materiais em uma câmara de vácuo, o que eliminaria o ar responsável pela distribuição convectiva do calor. Eles então criaram um pulso de calor em uma amostra usando um laser para aquecer uma pequena área e, na outra amostra, aqueceram um lado enquanto mantinham o outro lado frio. Eles então usaram uma câmera infravermelha especial para observar como o calor se espalhava pelas amostras. Ao repetirem a experiência muitas vezes, continuaram a encontrar anomalias que a Lei de Fourier não conseguia explicar inteiramente.

“Ninguém tentou isso antes”, diz Zheng. “Há algo inesperado acontecendo nos polímeros translúcidos.”

Acontece que os materiais translúcidos permitem que a energia irradie internamente, interagindo com pequenas imperfeições estruturais, que então se tornam fontes secundárias de calor. Estas próprias fontes de calor secundárias continuam a irradiar calor através do material.

Implicações e conclusões

“Não é que a Lei de Fourier esteja errada”, Granick enfatiza rapidamente, “só que ela não explica tudo o que vemos quando se trata de transmissão de calor. Pesquisas fundamentais como a nossa nos dão uma compreensão ampliada de como o calor funciona, o que oferecerá aos engenheiros novas estratégias para projetar circuitos de aquecimento.”

Referência: “Exceções à lei de Fourier em macroescala” por Kaikai Zheng, Shankar Ghosh e Steve Granick, 5 de março de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2320337121

Esta pesquisa foi apoiada pela Barrett Family Foundation e pelo Instituto Coreano de Ciências Básicas.