Descoberta exceção à lei de 200 anos que rege a transferência de calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/03/2024

Esta foto foi tirada usando a câmera infravermelha usada nos experimentos: As cores medem temperaturas - observe que a pele dos cientistas está quente e os cabelos mais frios.
[Imagem: UMass Amherst]

Exceção à Lei de Fourier

Tida por décadas como uma área de conhecimento consolidado, a condução de calor de repente virou uma das mais cheias de novidades, exigindo mudanças constantes nos livros-textos - embora a segunda lei da termodinâmica continue bem (veja uma lista com as novidades mais recentes no final desta reportagem).

Uma dessas novidades veio em 2014, quando dois físicos 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 física que rege a condução do calor também pode falhar em macroescala, e mesmo em materiais bem conhecidos.

A equipe descobriu uma exceção à lei de 200 anos, conhecida como Lei de Fourier, que rege como o calor se difunde através de materiais sólidos. Também conhecida como lei da condução térmica, ela estabelece que a taxa de transferência de calor através de um material é proporcional ao gradiente de temperatura e à área da superfície perpendicular ao fluxo de calor - ou seja, o calor flui do mais quente para o mais frio em uma intensidade proporcional à diferença de temperatura entre as duas regiões e à área da superfície através da qual o calor está fluindo.

"Esta pesquisa começou com uma pergunta simples," contou o professor Steve Granick, coordenador da pesquisa. "E se o calor pudesse ser transmitido por outro caminho, e não apenas por aquele que as pessoas supunham?"

Outra novidade marcante na área envolveu a descoberta do calor viscoso, uma nova forma de propagação do calor.
[Imagem: EPFL]

Irradiação pura

O que está envolvido aqui é o chamado calor radiante, o calor que sentimos do Sol, por exemplo: As ondas eletromagnéticas do calor aquecem nossa pele quando o Sol está brilhando. Mas o calor também se propaga por difusão, que é o modo pelo qual a xícara de café aquece sua mão. E, em 2020, descobriu-se uma nova forma de propagação do calor, chamada de calor viscoso.

Durante 200 anos, os cientistas acreditaram que a difusão explicaria como o calor viaja através dos sólidos. "Mas, às vezes, a criatividade exige que você deixe o livro de lado por um momento," continuou Granick.

A equipe encontrou uma exceção a essa lei ao testar suas premissas em polímeros translúcidos e vidros inorgânicos. Eles constataram que o calor se difunde através de ambos os materiais da maneira usual, como previsto pela Lei de Fourier, mas a translucidez desses materiais também permite que a energia irradie através deles - um novo caminho para que a energia do calor flua pelo material.

Para demonstrar isto, os pesquisadores colocaram amostras dos materiais em uma câmara de vácuo, para eliminar o ar responsável pela distribuição convectiva do calor, e criaram um pulso de calor em uma amostra usando um laser para aquecer uma pequena área; em outra amostra, eles aqueceram um lado enquanto mantinham o outro lado frio. Eles então usaram uma câmera infravermelha especial para observar como o calor se espalhava pelas amostras.

Repetindo o experimento muitas vezes, surgiram anomalias que a Lei de Fourier não consegue explicar inteiramente.

Agora também sabemos que o calor nem sempre vai mais rápido conforme a pressão aumenta.
[Imagem: H-Lab/UCLA]

Descobertas sobre o calor

A novidade é que os materiais translúcidos permitem que a energia irradie internamente, interagindo com pequenas imperfeições estruturais, que então se tornam fontes secundárias de calor.

Estas fontes de calor secundárias continuam a irradiar calor através do material, ou seja, a radiação eletromagnética pura também atua e desempenha um papel relevante nos materiais estudados - plásticos e vidros.

"Não é que a Lei de Fourier esteja errada," enfatiza Granick. "É apenas que ela não explica tudo o que vemos quando se trata de transmissão de calor. Pesquisas fundamentais como a nossa nos dão uma compreensão ampliada de como o calor funciona, o que irá oferecer aos engenheiros novas estratégias para projetar circuitos térmicos."

Veja outras novidades recentes envolvendo o calor e sua propagação:

• Desmentido princípio da física que calor sempre vai mais rápido conforme pressão aumenta
• Calor move-se do frio para o quente - mas Segunda Lei da Termodinâmica está bem
• Calor Viscoso: Uma nova forma de propagação do calor
• Calor pode ser transmitido através do vácuo
• Calor pode ser "travado" no lugar, sem se espalhar
• Calor move-se como onda e esfria objeto instantaneamente

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