¿Cuánto calor pueden intercambiar dos cuerpos sin tocarse? Durante más de un siglo, los científicos han podido responder esta pregunta para prácticamente cualquier par de objetos en el mundo macroscópico, desde la velocidad a la que una fogata puede calentarte, hasta cómomucho calor que la Tierra absorbe del Sol. Pero predecir tal transferencia de calor radiativo entre objetos extremadamente cercanos ha resultado esquivo durante los últimos 50 años.
Ahora, los matemáticos del MIT han derivado una fórmula para determinar la cantidad máxima de calor intercambiado entre dos objetos separados por distancias más cortas que el ancho de un solo cabello. Para cualquiera de los dos objetos situados a solo nanómetros de distancia, la fórmula se puede usar para calcular ella mayor parte del calor que un cuerpo puede transmitir a otro, en función de dos parámetros: de qué están hechos los objetos y qué tan separados están.
La fórmula puede ayudar a los ingenieros a identificar materiales y diseños óptimos para sintonizar dispositivos pequeños e intrincadamente diseñados, como las superficies termo-fotovoltaicas que convierten la energía térmica en energía eléctrica y los sistemas de enfriamiento para chips de computadora.
Como demostración, los científicos usaron su fórmula para calcular la transferencia de calor máxima entre dos placas metálicas separadas por nanómetros, y descubrieron que las estructuras pueden transmitir órdenes de magnitud más calor del que alcanzan actualmente.
"Esta [fórmula] proporciona un objetivo para decir, 'esto es lo que deberíamos estar buscando', y en comparación con lo que hemos visto hasta ahora en estructuras simples, hay órdenes de magnitud más margen de mejora para este tipo detransferencia de calor ", dice Owen Miller, un postdoctorado en el Departamento de Matemáticas." Si eso es prácticamente posible, eso podría hacer una gran diferencia, por ejemplo, en termo-fotovoltaica ".
Miller y sus colegas Steven Johnson, profesor de matemáticas aplicadas en el MIT, y Alejandro Rodríguez, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton, han publicado sus resultados en Cartas de revisión física .
pequeña escala, gran efecto
Desde finales de 1800, los científicos han utilizado la ley Stefan-Boltzmann para calcular la cantidad máxima de calor que un cuerpo puede transmitir a otro. Esta transferencia de calor máxima depende solo de las temperaturas de los dos cuerpos y se puede alcanzar solo cuando ambos cuerpos estánextremadamente opaco, que absorbe todo el calor que se irradia sobre ellos, una noción teórica conocida como el límite del cuerpo negro.
Sin embargo, para objetos más pequeños que la longitud de onda del calor, alrededor de 8 micrómetros, las teorías establecidas de los científicos sobre la transferencia de calor ya no se aplican. De hecho, parece que a nanoescala, la cantidad de calor transmitido entre los objetos en realidad excedepredicho por el límite del cuerpo negro, cientos de veces.
Resulta que cuando los objetos están extremadamente juntos, el calor fluye no solo como ondas electromagnéticas, sino también como ondas evanescentes, ondas que se exponen exponencialmente y que tienen poco efecto en la macroescala, ya que generalmente mueren antes de alcanzar otro objeto.Sin embargo, en la nanoescala, las ondas evanescentes pueden desempeñar un papel importante en la transferencia de calor, la construcción de túneles entre los objetos y la liberación de energía atrapada en forma de calor adicional. Solo en los últimos años Johnson y otros en el MIT, incluido Homer Reid,instructor de matemáticas; Gang Chen, profesor de ingeniería energética Carl Richard Soderberg y jefe del departamento de ingeniería mecánica; y Mehran Kardar, profesor de física Francis Friedman; comenzaron a predecir y cuantificar la transferencia de calor a nanoescala.
Una ecuación sorprendentemente generalizable
Miller y sus colegas obtuvieron una fórmula para determinar la transferencia de calor máxima entre dos objetos extremadamente cercanos. Para hacerlo, utilizaron un modelo existente que describe la transferencia de calor radiativo como corrientes eléctricas que fluyen dentro de dos objetos. Estas corrientes surgen de la fluctuación de cada objetodipolos eléctricos, o su distribución de cargas negativas y positivas.
Utilizando este modelo como marco, el equipo agregó dos restricciones adicionales: conservación de energía, en la cual hay un límite en la cantidad de energía que un cuerpo puede absorber; y reciprocidad, donde cada cuerpo puede ser tratado como una fuente o receptor decalor. Con este enfoque, los investigadores derivaron una ecuación simple para calcular el máximo, o límite superior, de calor que dos cuerpos pueden intercambiar en separaciones a nanoescala.
La ecuación es sorprendentemente generalizable y se puede aplicar a cualquier par de objetos independientemente de su forma. Los científicos simplemente ingresan dos parámetros en la ecuación: distancia de separación y ciertas propiedades materiales de cada objeto, a saber, la cantidad máxima de corriente eléctricaque puede acumularse en un material dado.
"Ahora tenemos una fórmula para el límite superior", dice Johnson. "Dado el material y la separación que desea, simplemente lo conectaría a la fórmula y el boom, ya está, es muy fácil. Ahorapuedes ir hacia atrás e intentar jugar con materiales y optimizarlos "
Johnson dice que los ingenieros pueden usar la fórmula para identificar la mejor combinación y orientación posible de materiales para optimizar la transferencia de calor en nanodispositivos, como la termo-fotovoltaica, que implica grabar superficies con patrones muy finos e intrincados para mejorar sus propiedades de absorción de calor.
El equipo ha realizado un trabajo preliminar en la exploración de la transferencia de calor entre varios materiales a nanoescala. Tomando alrededor de 20 materiales diferentes de la tabla periódica, principalmente metales, Miller calculó la transferencia de calor máxima entre pares de ellos, en separaciones extremadamente pequeñas.
"Esto sigue siendo un trabajo en curso, pero parece que el aluminio tiene mucho potencial si se puede diseñar correctamente", dice Miller. "Tiene que estar diseñado correctamente para alcanzar el límite, por eso la gente no tieneNo he visto grandes mejoras con tales materiales antes, pero esto realmente abre una nueva clase de materiales que pueden usarse ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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