MASSACHUSETTS - Zákon, ktorý sa vyučuje v učebniciach fyziky už viac než 200 rokov, považujeme za samozrejmosť. Nový výskum však naznačuje, že v určitých prípadoch nemusí platiť tak, ako sme si doteraz mysleli. Vedci objavili spôsob, akým sa teplo dokáže v niektorých materiáloch šíriť rýchlejšie – a to úplne inou cestou, než predpokladá klasická teória.
Prenos tepla v pevných látkach dlhé desaťročia opisuje Fourierov zákon, ktorý hovorí, že teplo sa šíri z teplejšej časti materiálu do chladnejšej rýchlosťou úmernou teplotnému rozdielu. Ako však upozorňuje Science Alert, tento model má svoje limity a už skôr sa ukázalo, že na nanoúrovni nedokáže spoľahlivo predpovedať správanie tepla.
Posvietil si na polyméry a anorganické sklá
Otázkou teraz bolo, či by podobné výnimky mohli existovať aj v bežných, makroskopických materiáloch. Fyzik Kaikai Zheng z University of Massachusetts sa spolu s tímom zameral na priesvitné polyméry a anorganické sklá. Práve ich schopnosť prepúšťať svetlo totiž naznačovala, že by okrem klasickej tepelnej difúzie mohol zohrávať úlohu aj iný mechanizmus prenosu energie.
Ako sa teplo skutočne šíri?
Vedci preto testované materiály umiestnili do vákuovej komory a na krátky okamih ich zahriali pomocou laserových impulzov. Senzory následne zaznamenávali, ako sa teplo v materiáli šíri. Výsledky, publikované v časopise PNAS, ukázali, že zahrievanie prebiehalo rýchlejšie, než by umožnila samotná difúzia. Analýza naznačila, že v prvých momentoch po zahriatí zohráva významnú úlohu tepelné žiarenie. V priesvitných materiáloch sa totiž energia môže šíriť aj vyžarovaním z vnútorných štrukturálnych nedokonalostí, ktoré fungujú ako lokálne zdroje tepla. Až neskôr preberá hlavnú úlohu klasický difúzny prenos.
„Nejde o to, že by Fourierov zákon neplatil,“ vysvetľuje hlavný autor štúdie Steve Granick. „Jednoducho nedokáže opísať všetky procesy, ktoré pri prenose tepla v skutočnosti prebiehajú.“ Podľa výskumníkov by tieto zistenia mohli otvoriť nové možnosti v oblasti riadenia tepla, napríklad pri vývoji optických materiálov, elektroniky či moderných polymérov. Zároveň ukazujú, že aj fyzikálne zákony, ktoré považujeme za pevne dané, môžu mať svoje nečakané výnimky.
