Wissenschaftler entdecken eine Ausnahme von einem 200 Jahre alten physikalischen Gesetz zur Wärmeleitung

Das Fourier-Gesetz, auch bekannt als Wärmeleitungsgesetz, aufgestellt von dem französischen Physiker und Mathematiker Jean Baptiste Joseph Fourier im Jahr 1822, beschreibt, dass "der Wärmestrom durch ein Material proportional zur Änderung der Temperatur variiert". Daher fließt die Wärme von dem Körper mit der höchsten Temperatur zu dem Körper mit der niedrigsten Temperatur. Außerdem ist die Wärmemenge, die fließt, umgekehrt proportional zur Dicke des Leiters.

In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler nun berichtet, dass sie eine Lücke in diesem physikalischen Gesetz gefunden haben, 200 Jahre nachdem es beschrieben wurde. Was es damit auf sich hat, sehen Sie unten.

Was ist die Ausnahme vom Gesetz?

200 Jahre nach seiner Formulierung haben Forscher der University of Massachusetts Amherst (USA) ein Szenario ermittelt, in dem dieses Gesetz auf der Makroebene nicht gilt, was etablierte Vorstellungen in Frage stellt und wichtige Auswirkungen auf verschiedene Wissenschafts- und Technologiezweige haben könnte.

Laut Steve Granick, dem Hauptautor der Studie, begann die Studie mit der Frage: "Was wäre, wenn Wärme auf einem anderen Weg übertragen werden könnte als dem, den die Menschen annehmen?". Daraufhin gingen sie der Frage nach.

Die Ausnahme von der Regel wurde bei transparenten Materialien wie lichtdurchlässigen Polymeren und anorganischem Glas beobachtet. Die Forscher wiesen nach, dass Wärme in der Tat durch beide Materialien diffundiert; sie fragten sich jedoch, ob die Lichtdurchlässigkeit auch die Abstrahlung von Energie durch die Materialien ermöglichen könnte, und zeigten schließlich, dass lichtdurchlässige Materialien aufgrund kleiner struktureller Unvollkommenheiten einen internen Energiefluss ermöglichen, der sogar zu sekundären Wärmequellen wird. Diese sekundären Wärmequellen strahlen weiterhin Wärme durch das Material ab, mit anderen Worten, auch reine elektromagnetische Strahlung wirkt und spielt in Materialien eine wichtige Rolle.

Granick erklärte: "Es geht nicht darum, dass das Fouriersche Gesetz falsch ist. Es erklärt nur nicht alles, was wir in Bezug auf die Wärmeübertragung sehen. Grundlagenforschung wie die unsere gibt uns ein erweitertes Verständnis davon, wie Wärme funktioniert, was Ingenieuren neue Strategien für die Gestaltung von Heizkreisläufen bieten wird."

Und wie sind sie bei diesem Experiment vorgegangen?

Proben der beiden Materialien wurden in eine Vakuumkammer gelegt, um die gesamte Luft zu eliminieren und somit keine Wärmeübertragung durch Konvektion (die durch die Bewegung der Luft entsteht) zu ermöglichen. Dann erhitzten sie mit einem Laserstrahl einen kleinen Bereich der einen Probe, während sie bei der anderen Probe eine Seite erhitzten und die andere Seite kühl hielten. Dann analysierten sie mit einer Infrarotkamera, wie sich die Wärme in jeder Probe ausbreitete.

Sie beobachteten Anomalien bei der Wärmeübertragung: Die Erwärmung erfolgte schneller als durch Diffusion vorhergesagt, was auf einen erheblichen Beitrag der Wärmestrahlung hinweist. Das Fouriersche Gesetz ist also nicht falsch, aber es erklärt die Wärmeübertragung nicht vollständig.

Diese Entdeckung könnte zu Fortschritten bei der Effizienz von Kühlvorrichtungen, wie z. B. Heizkörpern und Kühlsystemen, führen; außerdem könnte ein besseres Verständnis der Wärmeübertragung Bereichen wie Elektronik, Solarenergie und sogar der Weltraumforschung zugutekommen.

Und die Autoren glauben, dass diese Entdeckung Türen zu revolutionären Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft öffnen und unser grundlegendes Verständnis des Fourierschen Gesetzes verändern könnte.

Quellenhinweis:

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.