科学探索

超越傅里叶定律：热传导的新途径

科学探索万象经验2024-03-08

一篇最近发表在《美国国家科学院院刊》上的论文，发现了一个有趣的现象，就是在一些半透明的材料中，热传导不仅仅遵循傅里叶定律，还有一部分是由纯电磁辐射引起的。这个发现挑战了两百年来人们对于热传导的普遍认识，也为热传导的设计提供了新的思路。

傅里叶定律是什么

傅里叶定律是一个描述固体材料中热传导的经典定律，它是由法国数学家傅里叶在1807年提出的。傅里叶定律的基本思想是，热量总是从温度高的地方向温度低的地方流动，而且流动的速度和温度的梯度成正比。傅里叶定律可以用一个简单的数学公式来表示，就是：q=−k∇T。

其中，q是热流密度，也就是单位面积上流过的热量；k是热导率，是一个反映材料导热性能的常数；∇T是温度的梯度，也就是温度变化的方向和大小。傅里叶定律的一个重要特点是，它假设热传导是一个局部的过程，也就是说，热量只能在相邻的分子之间传递，而不能跨越较远的距离。

傅里叶定律有没有例外

傅里叶定律是一个非常成功的定律，它可以很好地解释大多数固体材料中的热传导现象。然而，随着科学技术的发展，人们发现在一些特殊的情况下，傅里叶定律并不完全适用。例如，在纳米尺度上，由于量子效应的影响，热传导可能出现反常的行为，比如热流的方向和温度梯度相反，或者热流的大小和温度梯度无关。这些现象被称为非傅里叶热传导，它们在一些新型的纳米材料和器件中有重要的应用。

然而，非傅里叶热传导是否只存在于纳米尺度上呢？我们是否可以在宏观尺度上，也就是我们日常生活中常见的尺度上，找到傅里叶定律的例外呢？这就是我们这篇论文的主要研究问题。

实验方法

为了探索宏观尺度上的非傅里叶热传导，他们选择了一些半透明的材料作为实验对象，比如聚合物和无机玻璃。这些材料的特点是，它们既可以通过分子的振动来传导热量，也可以通过电磁波来辐射热量。我们想知道，在这些材料中，热传导是不是只遵循傅里叶定律，还是有其他的机制存在。

他们设计了两种实验方法来测量这些材料的热传导性质。第一种方法是稳态加热法，就是把材料的一端加热，另一端保持冷却，然后用一个特殊的红外相机来观察材料内部的温度分布。第二种方法是脉冲加热法，就是用一个激光在材料的一个小区域内产生一个热脉冲，然后用红外相机来跟踪热脉冲在材料中的传播过程。为了排除空气对热传导的影响，他们把实验都放在一个真空室里进行。

实验结果

他们对不同的半透明材料进行了实验，发现了一些非常有趣的结果。研究发现，在这些材料中，热传导不仅仅遵循傅里叶定律，还有一部分是由纯电磁辐射引起的。这部分电磁辐射可以在材料内部反射和折射，与材料的微观结构发生相互作用，从而产生一些次级的热源。这些次级热源本身也会继续辐射热量，形成一个复杂的热传导网络。这个网络的存在使得材料的温度分布和热流传播出现了一些异常的现象，比如温度分布不均匀，热流方向不一致，热流大小不符合傅里叶定律等等。

他们还发现，这种非傅里叶热传导的效应不仅存在于半透明的材料中，还存在于一些金属中。这是因为金属的表面也可以反射电磁波，从而形成一个类似的热传导网络。我们认为，这种效应在一些金属的表面处理和涂层设计中可能有重要的意义。