Los científicos descubren una excepción a una ley física de 200 años de antigüedad sobre la conducción térmica

En un estudio reciente, los investigadores han encontrado la excepción a la ley de Fourier de 200 años de antigüedad: un descubrimiento único en su tipo sobre la transferencia de calor en cuerpos sólidos translúcidos.

vidrios y prismas reflejando luz
La excepción a la regla está relacionada con la transferencia de calor en materiales translúcidos. Crédito: Kirsten Covington/Shutterstock.

La Ley de Fourier, también conocida como Ley de conducción del calor, establecida por el físico matemático francés Jean Baptiste Joseph Fourier en 1822, describe que “el flujo de calor a través de un material varía proporcionalmente a la variación de la temperatura”.

Por lo tanto, el flujo de calor fluye desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo con menor temperatura. Además, la cantidad de calor que fluye es inversamente proporcional al espesor del conductor.

Ahora, en un estudio reciente publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), los científicos informan que han encontrado una laguna en esta ley física, 200 años después de su descripción. Vea de qué se trata a continuación.

¿Cuál es la excepción a la regla?

A 200 años de su formulación, investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst (EE. UU.) identificaron un escenario en el que esta ley no se aplica a escala macro, lo que desafía nociones establecidas y podría tener importantes implicaciones en diversas ramas de la ciencia y la tecnología.

Según Steve Granick, autor principal, el estudio comenzó con la pregunta: "¿Qué pasaría si el calor pudiera transmitirse por otra ruta, no sólo la que la gente suponía?" Después fueron a investigarlo. La excepción a la regla se observó en el caso de materiales transparentes como polímeros translúcidos y vidrios inorgánicos. Los investigadores demostraron que, de hecho, el calor se difunde a través de ambos materiales.

La Ley de Fourier es una relación matemática entre la energía térmica que fluye en un cuerpo por conducción y la variación de temperatura en ese mismo material. El flujo de calor fluye desde el objeto de mayor temperatura al objeto de menor temperatura.

Sin embargo, cuestionaron si la translucidez también podría permitir que la energía irradiara a través de los materiales, y terminaron demostrando que sí, los materiales translúcidos permiten el flujo interno de energía debido a pequeñas imperfecciones estructurales, que incluso terminan convirtiéndose en fuentes secundarias de calor. Estas fuentes de calor secundarias siguen irradiando calor a través del material, es decir, la radiación electromagnética pura también actúa y juega un papel relevante en los materiales.

Granick explicó: “No es que la ley de Fourier sea incorrecta. Pero esto no explica todo lo que vemos en lo que respecta a la transmisión de calor. Investigaciones fundamentales como la nuestra nos brindan una mayor comprensión de cómo funciona el calor, lo que ofrecerá a los ingenieros nuevas estrategias para diseñar circuitos de calefacción”.

¿Y cómo hicieron este experimento?

Se colocaron muestras de los dos materiales en una cámara de vacío para eliminar todo el aire y así evitar la transferencia de calor por convección —que se produce mediante el movimiento del aire. Después, utilizaron un rayo láser para calentar un área pequeña en una muestra, mientras que en la otra muestra calentaron un lado y mantuvieron el otro lado fresco. Para ello, utilizaron una cámara infrarroja para analizar cómo se propaga el calor por cada muestra.

Observaron anomalías en la transferencia de calor: el calentamiento se produjo más rápidamente de lo previsto por la difusión, lo que indica una contribución significativa de la radiación térmica. Entonces, aunque la Ley de Fourier no es incorrecta, no explica completamente la transmisión de calor.

Jean Joseph Fourier y un esquema de su ley
A la izquierda, la imagen del físico matemático Jean Joseph Fourier y a la derecha una representación esquemática de su ley física de 1822. Crédito: Divulgación.

Este descubrimiento podría conducir a avances en la eficiencia de dispositivos de refrigeración como radiadores y sistemas de refrigeración; además, una mejor comprensión de la transferencia de calor podría beneficiar a áreas como la electrónica, la energía solar e incluso la exploración espacial.

Los autores creen que este descubrimiento podría abrir puertas a aplicaciones revolucionarias en varias áreas de la ciencia y cambiar nuestra comprensión fundamental de la ley de Fourier.

Referencia de la noticia:

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.