El calor del sol atraviesa millones de kilómetros de espacio vacío para crear un día de verano; una fogata asa malvaviscos desde varios pies de distancia. Los científicos han entendido las matemáticas detrás de esta transferencia fantasmal de calor desde fines del siglo XIX. Pero esa matemática se descompone enespacios muy cercanos, dentro de, por ejemplo, la electrónica a nanoescala y las celdas de electricidad solar con componentes separados o que abarcan billonésimas de metro donde la transferencia de calor es crítica.
En un estudio reciente, un investigador de Princeton y sus colegas del Instituto de Tecnología de Massachusetts han ideado una fórmula que describe la máxima transferencia de calor en escenarios tan ajustados. Sorprendentemente, y alentador, la fórmula sugiere que un millón de vecesEs posible una mayor transferencia de calor entre objetos cercanos de lo que se pensaba anteriormente.
"Ahora tenemos un techo para la cantidad de transferencia de calor que podemos esperar", dijo Alejandro Rodríguez, profesor asistente de ingeniería eléctrica en Princeton. "El hecho de que este techo es varios órdenes de magnitud más alto de lo que se ha demostrado anteriormente enlas estructuras materiales son extremadamente prometedoras y motivarán más estudios sobre este fenómeno y sus múltiples aplicaciones ".
La fórmula es la primera enmienda importante a las matemáticas que describe el calentamiento radiativo, la ley Stefan-Boltzmann, desde que se estableció en 1879. Con esta nueva fórmula, los ingenieros sabrán cuánto más rendimiento se puede sacar de sudiseños estructurales y de materiales. Los usos potenciales podrían incluir atrapar el calor y convertirlo directamente en electricidad en dispositivos llamados termo-fotovoltaicos, así como enfriar componentes electrónicos como procesadores.
Rodríguez y sus colaboradores Owen Miller y Steven Johnson, ambos del MIT, describieron el trabajo en un artículo publicado en noviembre en Cartas de revisión física . El trabajo se discute más en la revista Física . El trabajo fue financiado por la National Science Foundation y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
"El documento presenta resultados muy novedosos que resaltan la posibilidad de mejorar dramáticamente la transferencia de calor radiativo entre cuerpos", dijo Pramod Reddy, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan que no participó en el estudio"Estos resultados computacionales son especialmente interesantes y útiles, ya que se presentan en un momento en que las herramientas experimentales deseadas desde hace mucho tiempo y que son críticas para probar estas predicciones importantes están disponibles".
El grupo de Rodríguez en Princeton se enfoca en manipular las interacciones de la luz y la materia a nanoescalas, por lo que abordar el problema de limitar la transferencia de calor en el campo cercano era algo natural. Los científicos han sabido durante décadas que los objetos muy cercanos pueden transferir mucho más calor que elLa ley de Stefan-Boltzmann sugeriría que es posible, pero nadie tenía una descripción matemática de la máxima transferencia de energía que es posible en tales situaciones.
"Me preguntaba por qué tenemos límites para la emisión de 'campo lejano', la situación cotidiana más familiar cuando los objetos están bastante separados, pero no tenemos nada remotamente similar para el campo cercano", dijo Rodríguez.
Parte de la razón, explicó Rodríguez, es que la física de la transferencia de calor cambia drásticamente cuando los objetos se acercan y son personales. En la transferencia de calor de campo lejano, un objeto más caliente calienta un objeto más frío transfiriendo energía a través de radiación electromagnética, mejor conocidocomo luz: a temperatura ambiente, la luz con una longitud de onda infrarroja invisible de aproximadamente ocho micras denominada longitud de onda de calor o longitud de onda térmica participa más en la transferencia de calor.
De acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann, el límite superior de este intercambio de calor general simplemente depende de la temperatura de cualquiera de los dos cuerpos. El punto de referencia para la comparación es un "cuerpo negro" teórico, que absorbe perfectamente toda la radiación que cae sobre él.
Cuando los objetos casi se tocan, es decir, su distancia es menor que la longitud de onda primaria del calor, este máximo de cuerpo negro puede superarse enormemente. A tales distancias, un tipo diferente de onda electromagnética se destaca. Llamadas ondas evanescentes,desaparecen exponencialmente con la distancia, por lo que esencialmente no juegan ningún papel en la transferencia de calor más allá de la nanoescala.
Estas ondas evanescentes pueden considerarse como la energía de la luz que queda atrapada dentro de un objeto, nunca logrando atravesar su superficie y propagarse como la radiación típica. El único momento en que las ondas evanescentes pueden "formarse un túnel" desde el interior de un objeto hacia su exterior esen presencia de un objeto muy cercano con sus propias ondas evanescentes. Las ondas transfieren la energía atrapada.
Para tener en cuenta los efectos de las ondas evanescentes, Rodríguez y sus colegas incorporaron varios conceptos clave: el flujo de corriente eléctrica dentro de los objetos, la conservación de la energía y la "reciprocidad", la capacidad de cualquiera de los objetos para actuar como receptor o absorbedor de calor.
En total, las respuestas producidas por la fórmula resultante dependen solo de las propiedades del material de dos objetos y el grado de su separación. Por lo tanto, convenientemente, la nueva fórmula se aplica a los objetos con cualquier forma arbitraria. Al ajustar la composición del material yDe esta forma, los investigadores pueden averiguar cómo maximizar la transferencia de calor de campo cercano.
"Lo que hemos hecho es encontrar una generalización de la ley de Stefan-Boltzmann a situaciones donde los objetos están uno encima del otro", dijo Rodríguez. "Ahora queremos descubrir qué estructuras y materiales pueden acercarse a los límites descritospor nuestra nueva ecuación "
Él y sus colegas compararon las predicciones de su fórmula con el calor intercambiado por dos placas de metal apenas separadas, una estructura que se ha utilizado en los últimos años para investigar las fronteras del intercambio de calor de campo cercano. Debido a su forma plana, las placasresultó estar muy por debajo de los límites teóricos que establecieron Rodríguez y sus colegas. Esencialmente, descubrieron que una gran parte de las ondas evanescentes emitidas por una placa caliente termina reflejada, en lugar de transmitida, de vuelta a ella.
Las estructuras que está explorando el grupo de Rodríguez, como dos objetos tachonados con discos de tamaños variables y casi entrelazados, se acercan mucho más a la captura de todos los beneficios que ofrece el campo cercano. Los científicos de Princeton están utilizando computadoras para crear y examinar rápidamente la superficie potencialdiseños, que ahora se pueden optimizar realmente por cortesía de la nueva ecuación de intercambio de calor.
En un poco útil de sinergia, el mismo tipo de técnicas para optimizar el intercambio de calor también ha llevado a Rodríguez y colaboradores experimentales a descubrir estructuras para transferir energía óptica de una frecuencia a otra. Al igual que con la transferencia de calor de campo cercano, dicha frecuencia-las transferencias de conversión también tienen eficiencias considerables aún por realizarse.
"Soy muy optimista de que podremos llegar muy cerca de alcanzar los límites tanto para la transferencia de calor de campo cercano como para la conversión de frecuencia", dijo Rodríguez. "Ese es el espíritu de gran parte del trabajo que estoy haciendo aquí enPrinceton "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Adam Hadhazy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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