Descoberta exceo lei de Fourier, que rege a transferncia de calor

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Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/03/2024

Esta foto foi tirada usando a cmera infravermelha usada nos experimentos: As cores medem temperaturas – observe que a pele dos cientistas est quente e os cabelos mais frios.
(Imagem: UMass Amherst)

Exceo Lei de Fourier

Tida por dcadas como uma rea de conhecimento consolidado, a conduo de calor de repente virou uma das mais cheias de novidades, exigindo mudanas constantes nos livros-textos – embora a segunda lei da termodinmica continue bem (veja uma lista com as novidades mais recentes no final desta reportagem).

Uma dessas novidades veio em 2014, quando dois fsicos norte-americanos descobriram que o calor desobedece as teorias em escala nano.

Mas parece ser mais do que isso: Kaikai Zheng e colegas da Universidade de Massachusetts Amherst, nos EUA, acabam de descobrir que a lei da fsica que rege a conduo do calor tambm pode falhar em macroescala, e mesmo em materiais bem conhecidos.

A equipe descobriu uma exceo lei de 200 anos, conhecida como Lei de Fourier, que rege como o calor se difunde atravs de materiais slidos. Tambm conhecida como lei da conduo trmica, ela estabelece que a taxa de transferncia de calor atravs de um material proporcional ao gradiente de temperatura e rea da superfcie perpendicular ao fluxo de calor – ou seja, o calor flui do mais quente para o mais frio em uma intensidade proporcional diferena de temperatura entre as duas regies e rea da superfcie atravs da qual o calor est fluindo.

“Esta pesquisa comeou com uma pergunta simples,” contou o professor Steve Granick, coordenador da pesquisa. “E se o calor pudesse ser transmitido por outro caminho, e no apenas por aquele que as pessoas supunham?”

Descoberta exce

Irradiao pura

O que est envolvido aqui o chamado calor radiante, o calor que sentimos do Sol, por exemplo: As ondas eletromagnticas do calor aquecem nossa pele quando o Sol est brilhando. Mas o calor tambm se propaga por difuso, que o modo pelo qual a xcara de caf aquece sua mo. E, em 2020, descobriu-se uma nova forma de propagao do calor, chamada de calor viscoso.

Durante 200 anos, os cientistas acreditaram que a difuso explicaria como o calor viaja atravs dos slidos. “Mas, s vezes, a criatividade exige que voc deixe o livro de lado por um momento,” continuou Granick.

A equipe encontrou uma exceo a essa lei ao testar suas premissas em polmeros translcidos e vidros inorgnicos. Eles constataram que o calor se difunde atravs de ambos os materiais da maneira usual, como previsto pela Lei de Fourier, mas a translucidez desses materiais tambm permite que a energia irradie atravs deles – um novo caminho para que a energia do calor flua pelo material.

Para demonstrar isto, os pesquisadores colocaram amostras dos materiais em uma cmara de vcuo, para eliminar o ar responsvel pela distribuio convectiva do calor, e criaram um pulso de calor em uma amostra usando um laser para aquecer uma pequena rea; em outra amostra, eles aqueceram um lado enquanto mantinham o outro lado frio. Eles ento usaram uma cmera infravermelha especial para observar como o calor se espalhava pelas amostras.

Repetindo o experimento muitas vezes, surgiram anomalias que a Lei de Fourier no consegue explicar inteiramente.

Descoberta exce

Descobertas sobre o calor

A novidade que os materiais translcidos permitem que a energia irradie internamente, interagindo com pequenas imperfeies estruturais, que ento se tornam fontes secundrias de calor.

Estas fontes de calor secundrias continuam a irradiar calor atravs do material, ou seja, a radiao eletromagntica pura tambm atua e desempenha um papel relevante nos materiais estudados – plsticos e vidros.

“No que a Lei de Fourier esteja errada,” enfatiza Granick. ” apenas que ela no explica tudo o que vemos quando se trata de transmisso de calor. Pesquisas fundamentais como a nossa nos do uma compreenso ampliada de como o calor funciona, o que ir oferecer aos engenheiros novas estratgias para projetar circuitos trmicos.”

Veja outras novidades recentes envolvendo o calor e sua propagao:

Bibliografia:

Artigo: Exceptions to Fouriers Law at the Macroscale
Autores: Kaikai Zheng, Shankar Ghosh, Steve Granick
Revista: Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 121 (11) e2320337121
DOI: 10.1073/pnas.2320337121

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