一篇最近發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的論文，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是在一些半透明的材料中，熱傳導(dǎo)不僅僅遵循傅里葉定律，還有一部分是由純電磁輻射引起的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了兩百年來(lái)人們對(duì)于熱傳導(dǎo)的普遍認(rèn)識(shí)，也為熱傳導(dǎo)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

傅里葉定律是什么

傅里葉定律是一個(gè)描述固體材料中熱傳導(dǎo)的經(jīng)典定律，它是由法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉在1807年提出的。傅里葉定律的基本思想是，熱量總是從溫度高的地方向溫度低的地方流動(dòng)，而且流動(dòng)的速度和溫度的梯度成正比。傅里葉定律可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來(lái)表示，就是：q=?k?T。

其中，q是熱流密度，也就是單位面積上流過(guò)的熱量；k是熱導(dǎo)率，是一個(gè)反映材料導(dǎo)熱性能的常數(shù)；?T是溫度的梯度，也就是溫度變化的方向和大小。傅里葉定律的一個(gè)重要特點(diǎn)是，它假設(shè)熱傳導(dǎo)是一個(gè)局部的過(guò)程，也就是說(shuō)，熱量只能在相鄰的分子之間傳遞，而不能跨越較遠(yuǎn)的距離。

傅里葉定律有沒(méi)有例外

傅里葉定律是一個(gè)非常成功的定律，它可以很好地解釋大多數(shù)固體材料中的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在一些特殊的情況下，傅里葉定律并不完全適用。例如，在納米尺度上，由于量子效應(yīng)的影響，熱傳導(dǎo)可能出現(xiàn)反常的行為，比如熱流的方向和溫度梯度相反，或者熱流的大小和溫度梯度無(wú)關(guān)。這些現(xiàn)象被稱(chēng)為非傅里葉熱傳導(dǎo)，它們?cè)谝恍┬滦偷募{米材料和器件中有重要的應(yīng)用。

然而，非傅里葉熱傳導(dǎo)是否只存在于納米尺度上呢？我們是否可以在宏觀尺度上，也就是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的尺度上，找到傅里葉定律的例外呢？這就是我們這篇論文的主要研究問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)方法

為了探索宏觀尺度上的非傅里葉熱傳導(dǎo)，他們選擇了一些半透明的材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，比如聚合物和無(wú)機(jī)玻璃。這些材料的特點(diǎn)是，它們既可以通過(guò)分子的振動(dòng)來(lái)傳導(dǎo)熱量，也可以通過(guò)電磁波來(lái)輻射熱量。我們想知道，在這些材料中，熱傳導(dǎo)是不是只遵循傅里葉定律，還是有其他的機(jī)制存在。

他們?cè)O(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)量這些材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。第一種方法是穩(wěn)態(tài)加熱法，就是把材料的一端加熱，另一端保持冷卻，然后用一個(gè)特殊的紅外相機(jī)來(lái)觀察材料內(nèi)部的溫度分布。第二種方法是脈沖加熱法，就是用一個(gè)激光在材料的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)熱脈沖，然后用紅外相機(jī)來(lái)跟蹤熱脈沖在材料中的傳播過(guò)程。為了排除空氣對(duì)熱傳導(dǎo)的影響，他們把實(shí)驗(yàn)都放在一個(gè)真空室里進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

他們對(duì)不同的半透明材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一些非常有趣的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，在這些材料中，熱傳導(dǎo)不僅僅遵循傅里葉定律，還有一部分是由純電磁輻射引起的。這部分電磁輻射可以在材料內(nèi)部反射和折射，與材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生一些次級(jí)的熱源。這些次級(jí)熱源本身也會(huì)繼續(xù)輻射熱量，形成一個(gè)復(fù)雜的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的存在使得材料的溫度分布和熱流傳播出現(xiàn)了一些異常的現(xiàn)象，比如溫度分布不均勻，熱流方向不一致，熱流大小不符合傅里葉定律等等。(www.ws46.cOm)

他們還發(fā)現(xiàn)，這種非傅里葉熱傳導(dǎo)的效應(yīng)不僅存在于半透明的材料中，還存在于一些金屬中。這是因?yàn)榻饘俚谋砻嬉部梢苑瓷潆姶挪ǎ瑥亩纬梢粋€(gè)類(lèi)似的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。我們認(rèn)為，這種效應(yīng)在一些金屬的表面處理和涂層設(shè)計(jì)中可能有重要的意義。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)有什么意義

該研究是第一個(gè)在宏觀尺度上發(fā)現(xiàn)傅里葉定律的例外的研究，它為熱傳導(dǎo)的理論和應(yīng)用提供了一個(gè)新的視角。我們認(rèn)為，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以幫助我們更好地理解和控制熱傳導(dǎo)的過(guò)程，也可以為一些新型的熱管理和能源轉(zhuǎn)換的技術(shù)提供靈感。我們希望，該研究可以激發(fā)更多的人對(duì)熱傳導(dǎo)的興趣和探索，也許還有更多的奧秘等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。