وجد الباحثون استثناءً لقانون علمي عمره 200 عام يحكم انتقال الحرارة

اكتشف فريق من الباحثين بقيادة جامعة ماساتشوستس أمهرست استثناءً للقانون البالغ عمره 200 عام والمعروف باسم قانون فورييه، والذي يحكم كيفية انتقال الحرارة عبر المواد الصلبة.

وعلى الرغم من أن العلماء سبق أن أثبتوا أن هناك استثناءات للقانون على المستوى النانوي، إلا أن البحث نشر وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوملقد كان أول من أظهر أن القانون ليس صحيحًا دائمًا على المستوى الكلي وأن الإشعاع الكهرومغناطيسي النقي يعمل في بعض المواد الشائعة مثل البلاستيك والزجاج.

يقول ستيف جرانيك وروبرت ك. باريت هو أستاذ علوم وهندسة البوليمرات في جامعة ماساتشوستس أمهرست ومؤلف رئيسي لهذه الورقة. “ماذا لو تمكنا من توصيل الحرارة عبر مسار آخر بدلاً من المسار الذي يفترضه الناس فقط؟”

الحرارة المشعة هي الحرارة التي نشعر بها من الشمس. عندما تشرق الشمس، تعمل موجاتها الكهرومغناطيسية على تسخين بشرتنا. من ناحية أخرى، فإن الانتشار هو الطريقة التي يقوم بها كوب الشاي الخاص بك بتدفئة يدك بعد أن تسكب لنفسك كوبًا جديدًا. لمدة 200 عام، اعتقد العلماء أن الانتشار يفسر كيفية انتقال الحرارة عبر المواد الصلبة. يقول جرانيك: “لكن في بعض الأحيان، يتعين عليك أن تضع الكتاب المدرسي جانبًا للحظة حتى تكون مبدعًا”.

تكهن جرانيك، وشانكار غوش من معهد تاتا للأبحاث الأساسية، وكايكاي تشنغ، أحد كبار الباحثين في جامعة ماساتشوستس أمهرست، بإمكانية العثور على استثناء لقانون فورييه في البوليمرات الشفافة والنظارات غير العضوية. افترض الفريق أن الحرارة ستنتشر عبر كلتا المادتين، لكن شفافيتهما ستسمح أيضًا بتدفق الطاقة عبر المادة.

ولاختبار الفرضية، وضعوا عينات من المواد في غرفة مفرغة من الهواء، والتي تزيل الهواء المسؤول عن التوزيع الحراري للحرارة. قاموا بإنشاء نبضة من الحرارة في إحدى العينات باستخدام الليزر لتسخين منطقة صغيرة، وفي عينة أخرى، تم تسخين جانب واحد مع الحفاظ على الجانب الآخر باردًا.

ثم استخدموا كاميرا خاصة تعمل بالأشعة تحت الحمراء لرؤية الحرارة المنبعثة من خلال عيناتهم. ومن خلال تكرار التجربة، اكتشفوا حالات شاذة لا يمكن تفسيرها بالكامل بواسطة قانون فورييه.

يقول تشنغ: “لم يجرب أحد هذا من قبل”. “يحدث شيء غير متوقع داخل البوليمرات المتسربة.”

تسمح المواد الشفافة للطاقة بالإشعاع داخليًا، والتفاعل مع العيوب الهيكلية الصغيرة التي تصبح فيما بعد مصادر حرارة ثانوية. تشع مصادر الحرارة الثانوية هذه الحرارة من خلال المادة نفسها.

وشدد جرانيك على أن “الأمر لا يعني أن قانون فورييه خاطئ، ولكنه لا يفسر كل ما نراه عندما تنتقل الحرارة. فالأبحاث الأساسية مثل بحثنا تمنحنا فهمًا أكثر تفصيلاً لكيفية عمل الحرارة. كما أنها تمنح المهندسين استراتيجيات جديدة للتعامل مع الحرارة”. تصميم الدوائر الحرارية.”