Un descubrimiento realizado por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía respalda una teoría centenaria de Albert Einstein que explica cómo el calor se mueve a través de todo, desde tazas de viaje hasta piezas del motor.
La transferencia de calor es fundamental para todos los materiales. Esta nueva investigación, publicada en la revista ciencia , aislantes térmicos explorados, que son materiales que bloquean la transmisión de calor.
"Vimos evidencia de lo que Einstein propuso por primera vez en 1911: que la energía térmica salta aleatoriamente de un átomo a otro en aislantes térmicos", dijo Lucas Lindsay, teórico de materiales en ORNL. "El salto es adicional al flujo de calor normal a través dela vibración colectiva de los átomos "
El salto de energía al azar no se nota en los materiales que conducen bien el calor, como el cobre en el fondo de las cacerolas durante la cocción, pero pueden detectarse en sólidos que son menos capaces de transmitir calor.
Esta observación promueve la comprensión de la conducción de calor en aislantes térmicos y ayudará al descubrimiento de nuevos materiales para aplicaciones de termoeléctricos que recuperan el calor residual a los recubrimientos de barrera que evitan la transmisión de calor.
Lindsay y sus colegas utilizaron sofisticadas herramientas de detección de vibraciones para detectar el movimiento de átomos y supercomputadoras para simular el viaje del calor a través de un simple cristal a base de talio. Su análisis reveló que las vibraciones atómicas en la red cristalina eran demasiado lentas para transmitirmucho calor
"Nuestras predicciones fueron dos veces más bajas de lo que observamos en nuestros experimentos. Inicialmente estábamos desconcertados", dijo Lindsay. "Esto llevó a la observación de que otro mecanismo de transferencia de calor debe estar en juego".
Saber que existe el segundo canal de transferencia de calor del salto de energía aleatorio informará a los investigadores sobre cómo elegir los materiales para las aplicaciones de gestión del calor. Este hallazgo, si se aplica, podría reducir drásticamente los costos de energía, las emisiones de carbono y el calor residual.
Muchos materiales útiles, como el silicio, tienen una red de átomos químicamente unidos. El calor generalmente se transporta a través de esta red mediante vibraciones atómicas u ondas de sonido. Estas ondas que soportan calor chocan entre sí, lo que ralentiza la transferencia de calor.
"El material a base de talio que estudiamos tiene una de las conductividades térmicas más bajas de cualquier cristal", dijo Lindsay. "Gran parte de la energía vibratoria se limita a átomos individuales, y la energía luego salta al azar a través del cristal".
"Tanto las ondas de sonido como el mecanismo de salto de calor primero teorizado por Einstein caracterizan un modelo de dos canales, y no solo en este material, sino en varios otros materiales que también demuestran una conductividad ultrabaja", dijo el científico de materiales de ORNL David Parker.
Por ahora, el salto de calor solo puede detectarse en excelentes aislantes térmicos. "Sin embargo, este canal de salto de calor bien puede estar presente en otros sólidos cristalinos, creando una nueva palanca para controlar el calor", dijo.
El coautor principal del estudio fue Saikat Mukhopadhyay, un ex asociado de investigación postdoctoral en ORNL y actualmente un asociado de investigación del Consejo Nacional de Investigación en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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