A klasszikus törvényt annyival kell kiegészíteni, hogy nem csak egy módon terjedhet a hő az anyagban, ha az átereszti az infravörös sugárzást.
Jean-Baptiste Joseph Fourier francia fizikus 1822-ben írta le a hővezetés matematikai modelljét – megállapítását Fourier-törvény néven tanítják több mint két évszázada. Az anyag molekulái a hőmérséklettel arányosan folyamatosan vibrálnak, és ez a mozgás terjed az adott tárgy melegebb részéből a hűvösebb felé. Maga az anyag nem mozog, hanem belső energia adódik át – ennek során az energia nem tűnik el, hanem kiegyenlítődik, ahogy maga a hőmérséklet is. A terjedés sebessége függ a két pont közötti hőmérséklet-különbségtől és a területtől vagy átmérőtől, amelyen a hő átadódhat.
Az elmúlt évtizedekben ismertté vált, hogy a hővezetésnek ez az elve nem működik a nanométeres léptékben. A Massachusettsi Egyetem polimerfizikai tudósa, Kaikai Cseng és kollégái ugyanakkor azon tűnődtek, hogy létezhet-e kivétel a törvény alól a számunkra ismerősebb léptékű makrovilágban is. Az volt a feltételezésük, hogy mivel az átlátszó polimerek és a szervetlen üvegek áteresztenek egy adott hullámhosszú fényt, ezekben a hő sugárzásként is terjed. A sugárzó hő elektromágneses hullámok formájában, vagyis infravörös sugárzásként terjed, ilyen a Napból felénk áradó hő is.
A kutatás egy egyszerű kérdésből indult ki: mi van, ha a hő nem csak egy módon adódhat át, ahogy eddig feltételeztük
– magyarázta a kutatás egyik szerzője, Steve Granick.
A kutatók anyagcsíkokat függesztettek fel vákuumban, kizárva a levegő közvetítő hatását, majd a másodperc töredékéig tartó lézerimpulzusokkal melegíteni kezdték a csíkok egyik végét. Három módon mérték az eredményt: közvetlen hőmérőzéssel, a csíkokra felvitt hőérzékeny festék színváltozásával és infravörös kamerával.
A hő gyorsabban terjedt, mint ami a hővezetésből következne, a tudósok így megállapították, hogy a sugárzás hozzájárult az energia átadódásához – ez a hatás közvetlenül a lézerimpulzust követően volt markáns, később elenyészett az anyag hővezetéséhez képest.
Nem arról van szó, hogy a Fourier-törvény téves, egyszerűen csak nem magyaráz meg mindent a hőátadással kapcsolatban
– mutatott rá Granick.
A kutatók szerint az áttetsző anyagokban azért jelenik meg a belső hősugárzás, mert az anyag szerkezetében található tökéletlenségek elnyelik a hőt, és sugároznak – a hősugárzás így pontról pontra ugrik a lassabb hőátadás helyett.
Azzal, hogy az eredmény kicsit tágította a régi tudást, új stratégiákat adhat a mérnökök kezébe olyan eseteknél, amikor az anyagokban terjedő hő problémáját kell megoldani.
(Borítókép: Oli Scarff / Getty Images)