Tìm thấy ngoại lệ ở định luật 200 năm tuổi về truyền nhiệt
Một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học ở ĐH Massachusetts Amherst mới đây đã tìm thấy một ngoại lệ ở một định luật 200 năm tuổi, định luật Fourier về hiện tượng dẫn nhiệt trong các vật liệu rắn.
Dẫu trước đây, các nhà khoa học đã chứng tỏ là có những ngoại lệ với định luật này ở cấp độ nano, nhưng nghiên cứu, mới được xuất bản trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences 1, là công trình đầu tiên chứng tỏ định luật này không luôn luôn đúng ở cấp độ vĩ mô, và bức xạ điện từ thuần túy chỉ diễn ra ở một số vật liệu như nhựa và kính.
“Nghiên cứu này đã bắt đầu với một câu hỏi đơn giản”, Steve Granick, giáo sư khoa học và kỹ thuật polymer Robert K. Barrett tại UMass Amherst và tác giả chính của bài báo, nói. “Điều gì sẽ xảy ra nếu nhiệt có thể được truyền theo cách khác thứ mà người ta vẫn giả định?”.
Nhiệt bức xạ là nhiệt mà chúng ta cảm nhận từ mặt trời; các sóng điện từ của nó sưởi ấm làn da của chúng ta khi mặt trời tỏa sáng. Khuếch tán, nói cách khác, là cách cốc trà làm ấm tay bạn sau khi bạn rót cho mình một cốc trà mới. Trong vòng 200 năm, các nhà khoa học đã tin là khuếch tán giải thích cách nhiệt được truyền trong chất rắn. “Nhưng đôi lúc”, Granick nói, “sự sáng tạo đòi hỏi bạn đặt cuốn sách giáo khoa sang một bên”.
Granick, Shankar Ghosh từ Viện nghiên cứu cơ bản Tata và tác giả thứ nhất Kaikai Zheng, một nhà nghiên cứu được trao học bổng tại UMass Amherst, đã phỏng đoán là có một ngoại lệ với định luật Fourier có thể được tìm thấy trong các polymer trong mờ và thủy tinh vô cơ. Nhiệt khuếch tán qua cả hai vật liệu này nhưng nhóm nghiên cứu đặt giả thuyết là sự trong mờ của nó cũng có thể cho phép năng lượng truyền bức xạ tốt trong vật liệu.
Để kiểm tra giả thuyết, họ đặt các mẫu vật liệu trong một buồng chân không, vốn có thể loại được không khí ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt đối lưu. Sau đó họ tạo ra một xung nhiệt trong một mẫu bằng một laser để nung nóng một khu vực nhỏ, và, trong mẫu khác, nung nóng một bên trong khi giữ cho bên kia lạnh.
Sau đó họ sử dụng một camera hồng ngoại đặc biệt để quan sát nhiệt lan truyền thông qua mẫu vật. Khi lặp lại thí nghiệm nhiều lần, họ phát hiện thấy những dị thường mà định luật Fourier có thể không hoàn toàn giải thích được.
“Không ai cố gắng trước đây”, Zheng. “Có điều gì đó mà chúng tôi chưa đoán được đã xảy ra trong các polymer trong mờ”.
Hóa ra là vật liệu trong mờ cho phép năng lượng tỏa bức xạ nội tại, tương tác với những không hoàn hảo trong cấu trúc nhỏ, sau đó trở thành các nguồn nhiệt thứ cấp. Các nguồn nhiệt thứ cấp này tự nó tiếp tục tỏa bức xạ nhiệt trong vật liệu.
“Điều này không có nghĩa là định luật Fourier sai, chỉ là nó không giải thích được mọi điều chúng ta thấy khi có hiện tượng truyền nhiệt. Các nghiên cứu cơ bản giống như công trình của chúng tôi đem lại cơ hội mở rộng hiểu biết về cách nhiệt hoạt động, qua đó giúp các kỹ sư có được các chiến lược mới cho thiết kế mạch nhiệt”, Granick nói.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2024-03-exception-year-scientific-law.html
—————————————
1.https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2320337121
