Cientistas descobrem uma exceção em lei física de 200 anos sobre condução térmica
Num estudo recente, investigadores descrevem sobre a exceção à Lei de Fourier de 200 anos: uma descoberta inédita sobre a transferência de calor em corpos sólidos translúcidos.
A Lei de Fourier, também conhecida como Lei da condução de calor, estabelecida pelo físico-matemático francês Jean Baptiste Joseph Fourier em 1822, descreve que "o fluxo de calor através de um material varia de forma proporcional à variação de temperatura". Sendo assim, o fluxo de calor flui do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Além disso, a quantidade de calor que flui é inversamente proporcional à espessura do condutor.
Agora, num estudo recente publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), cientistas relataram que encontraram uma brecha nessa lei física, 200 anos após ela ser descrita. Veja do que se trata abaixo.
Qual é a exceção da Lei?
Após 200 anos da sua formulação, investigadores da Universidade de Massachusetts Amherst (EUA) identificaram um cenário em que essa lei não se aplica na macroescala, o que desafia as noções estabelecidas e pode ter implicações importantes em vários ramos da ciência e da tecnologia.
Segundo Steve Granick, o autor principal, o estudo começou com a pergunta: “E se o calor pudesse ser transmitido por outro caminho, não apenas aquele que as pessoas presumiam?”. A partir disto, foram investigar.
A exceção à regra foi observada no caso de materiais transparentes como polímeros translúcidos e vidros inorgânicos. Os investigadores comprovaram que, de facto, o calor difunde-se através de ambos os materiais; porém, eles questionaram se a translucidez também poderia permitir que a energia irradiasse através dos materiais, e acabaram por mostrar que sim, os materiais translúcidos possibilitam o fluxo de energia interno por conta de pequenas imperfeições estruturais, as quais até acabam por se tornar fontes secundárias de calor. Estas fontes de calor secundárias continuam a irradiar calor através do material, ou seja, a radiação eletromagnética pura também atua e desempenha um papel relevante nos materiais.
Granick explicou: “Não é que a Lei de Fourier esteja errada. Só que ela não explica tudo o que vemos quando se trata de transmissão de calor. Investigações fundamentais como a nossa dão-nos uma compreensão ampliada de como o calor funciona, o que oferecerá aos engenheiros novas estratégias para projetar circuitos de aquecimento”.
E como eles fizeram esta experiência?
Amostras dos dois materiais foram colocadas numa câmara a vácuo para eliminar todo o ar e, assim, não ocorrer transferência de calor por convecção (que ocorre pelo movimento do ar). Então, utilizaram um feixe de laser para aquecer uma pequena área numa amostra, enquanto que na outra amostra aqueceram um lado e mantiveram o outro lado frio. Com isto, utilizaram uma câmara infravermelha para analisar como o calor se espalhava por cada amostra.
Eles observaram anomalias na transferência de calor: o aquecimento ocorreu mais rapidamente do que o previsto pela difusão, indicando uma significativa contribuição da radiação térmica. Então, embora a Lei de Fourier não esteja incorreta, ela não explica completamente a transmissão de calor.
Esta descoberta pode levar a avanços na eficiência de dispositivos de arrefecimento, como radiadores e sistemas de refrigeração; também, um melhor entendimento da transferência de calor pode beneficiar áreas como a eletrónica, a energia solar e até mesmo a exploração espacial.
E os autores acreditam que esta descoberta pode abrir portas para aplicações revolucionárias em várias áreas da ciência e mudar a nossa compreensão fundamental da lei de Fourier.
Referência da notícia:
Zheng, K.; Ghosh, S.; Granick, S. Exceptions to Fourier’s law at the macroscale. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), v. 121, n. 11, 2024.