Gli scienziati scoprono un'eccezione alla legge fisica sulla conduzione termica vecchia di 200 anni

La legge di Fourier, conosciuta anche come legge della conduzione del calore, stabilita dal fisico matematico francese Jean Baptiste Joseph Fourier nel 1822, descrive che "il flusso di calore attraverso un materiale varia proporzionalmente alla variazione di temperatura". Pertanto il flusso di calore fluisce dal corpo a temperatura più alta al corpo a temperatura più bassa. Inoltre la quantità di calore che fluisce è inversamente proporzionale allo spessore del conduttore.

Ora, in un recente studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), gli scienziati riferiscono di aver trovato una scappatoia in questa legge fisica, 200 anni dopo la sua descrizione.

Qual è l'eccezione alla legge?

A 200 anni dalla sua formulazione, i ricercatori dell’Università del Massachusetts Amherst (USA) hanno identificato uno scenario in cui questa legge non si applica su scala macro, che mette in discussione le nozioni consolidate e potrebbe avere importanti implicazioni in vari rami della scienza e della tecnologia.

Secondo Steve Granick, l’autore principale, lo studio è iniziato con la domanda: “E se il calore potesse essere trasmesso attraverso un’altra via, non solo quella ipotizzata?” Poi sono andati ad indagare.

L'eccezione alla regola è stata osservata nel caso di materiali trasparenti come polimeri traslucidi e vetri inorganici.

I ricercatori hanno dimostrato che, infatti, il calore si diffonde attraverso entrambi i materiali; tuttavia, si sono chiesti se la traslucenza potesse anche consentire all’energia di irradiarsi attraverso i materiali, e hanno finito per dimostrare che sì, i materiali traslucidi consentono il flusso di energia interno a causa di piccole imperfezioni strutturali, che finiscono anche per diventare fonti secondarie di calore. Queste fonti di calore secondarie continuano a irradiare calore attraverso il materiale, ovvero anche la radiazione elettromagnetica pura agisce e svolge un ruolo rilevante nei materiali.

Granick ha spiegato: “Non è che la legge di Fourier sia sbagliata. Ma ciò non spiega tutto ciò che vediamo quando si tratta di trasmissione del calore. La ricerca fondamentale come la nostra ci offre una comprensione più ampia di come funziona il calore, che offrirà agli ingegneri nuove strategie per progettare i circuiti di riscaldamento”.

Come hanno fatto l'esperimento?

I campioni dei due materiali sono stati posti in una camera a vuoto per eliminare tutta l'aria e impedire così il trasferimento di calore per convezione (che avviene attraverso il movimento dell'aria). Quindi, hanno utilizzato un raggio laser per riscaldare una piccola area su un campione, mentre sull’altro campione hanno riscaldato un lato e mantenuto freddo l’altro. Con questo, hanno utilizzato una telecamera a infrarossi per analizzare come il calore si diffonde in ciascun campione.

Hanno osservato anomalie nel trasferimento di calore: il riscaldamento è avvenuto più rapidamente di quanto previsto dalla diffusione, indicando un contributo significativo della radiazione termica. Quindi, sebbene la legge di Fourier non sia errata, non spiega completamente la trasmissione del calore.

Questa scoperta potrebbe portare a progressi nell'efficienza dei dispositivi di raffreddamento come radiatori e sistemi di refrigerazione. Inoltre, una migliore comprensione del trasferimento di calore potrebbe apportare benefici a settori quali l’elettronica, l’energia solare e persino l’esplorazione spaziale.

E gli autori ritengono che questa scoperta potrebbe aprire le porte ad applicazioni rivoluzionarie in diversi settori della scienza e cambiare la nostra comprensione fondamentale della legge di Fourier.

Fonte della notizia:

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.