Cientistas descobrem exceção à lei de Fourier com 200 anos

Cientistas identificaram uma exceção a uma lei científica com 200 anos que descreve a forma como o calor se propaga em materiais sólidos.

Conhecida como lei de Fourier, esta regra explica a transferência - ou condução - de calor através de sólidos. À medida que as moléculas vibram e os eletrões se deslocam, o calor passa da extremidade mais quente de um objeto para a mais fria, a uma velocidade proporcional à diferença de temperatura e à área pela qual o calor flui.

Contudo, nas últimas décadas, investigadores verificaram que este modelo de difusão falha à nanoescala: a lei de Fourier deixa de prever a rapidez com que o calor se move num material sólido.

Lei de Fourier e materiais translúcidos

Kaikai Zheng, físico de polímeros da Universidade de Massachusetts Amherst, e os seus colegas questionaram-se se poderiam existir exceções semelhantes à lei de Fourier à macroescala, em materiais transparentes à luz, como polímeros translúcidos e vidros inorgânicos.

Por serem translúcidos, estes materiais permitem a passagem de determinados comprimentos de onda da luz. Embora a luz não seja totalmente absorvida, como acontece nos materiais opacos, ela sofre dispersão e ressalta nas impurezas da estrutura do material.

Esta característica levou Zheng e a equipa a colocar a hipótese de que, para além de o calor se difundir através destes sólidos, a translucidez também poderia permitir que a energia térmica os atravessasse sob a forma de radiação térmica. O calor radiante é transportado no ar por ondas eletromagnéticas, sobretudo radiação infravermelha; um exemplo é o calor que sentimos nos raios do Sol.

«Esta investigação começou com uma pergunta simples», explica Steve Granick, autor sénior e cientista de materiais também na Universidade de Massachusetts Amherst. «E se o calor pudesse ser transmitido [através de sólidos] por outra via, e não apenas pela que as pessoas tinham assumido?»

Como o calor se propaga nos sólidos

Para testar esta ideia, os investigadores prenderam e suspenderam, individualmente, tiras dos materiais em análise numa câmara de vácuo feita à medida. O vácuo eliminava a possibilidade de o calor se dissipar dos materiais através do ar.

«Encontrar violações [da lei de Fourier] a escalas macroscópicas seria surpreendente, pois ultrapassaria o pensamento convencional apresentado nos manuais», escrevem os investigadores no artigo, descrevendo a perspetiva com que iniciaram as experiências.

A equipa aqueceu os materiais com impulsos de laser de frações de segundo e avaliou a propagação do calor por três métodos: um sensor de temperatura colocado diretamente na superfície; a medição da alteração de cor de um revestimento sensível à temperatura aplicado na amostra; e uma câmara de infravermelhos.

«Os dados mostram que o aquecimento [ocorreu] mais depressa do que pode ser atribuído à difusão», escrevem os investigadores, «indicando que a radiação contribui significativamente para o fluxo de calor nos primeiros instantes após um impulso térmico, embora a contribuição relativa da radiação diminua à medida que a difusão se torna dominante em momentos posteriores».

«Não é que a lei de Fourier esteja errada», esclarece Granick, «apenas não explica tudo o que observamos no que respeita à transmissão de calor».

A equipa propõe que os materiais translúcidos irradiam calor internamente porque as imperfeições estruturais funcionam como absorvedores e fontes de calor. Assim, o calor consegue propagar-se de ponto em ponto, em vez de se difundir lentamente.

Os investigadores acrescentam que os resultados podem ajudar engenheiros a criar novas estratégias de gestão térmica em materiais translúcidos. O estudo fornece uma compreensão mais abrangente de como o calor se espalha nos sólidos, cerca de 200 anos depois de este fenómeno ter sido descrito matematicamente pela primeira vez.

O estudo foi publicado na PNAS.