Des scientifiques découvrent une exception à une loi physique vieille de 200 ans sur la conduction thermique !

Dans une étude récente, des chercheurs ont trouvé l'exception à la loi de Fourier, vieille de 200 ans : une découverte inédite sur le transfert de chaleur dans les corps solides translucides.

L'exception à la règle concerne le transfert de chaleur dans les matériaux translucides. Crédit : Kirsten Covington/Shutterstock.
L'exception à la règle concerne le transfert de chaleur dans les matériaux translucides. Crédit : Kirsten Covington/Shutterstock.

La loi de Fourier, également connue sous le nom de loi de la conduction thermique, établie par le physicien mathématicien français Jean Baptiste Joseph Fourier en 1822, décrit que "le flux de chaleur à travers un matériau varie proportionnellement à la variation de la température".

Par conséquent, le flux de chaleur va du corps ayant la température la plus élevée vers le corps ayant la température la plus basse. En outre, le flux de chaleur est inversement proportionnel à l'épaisseur du conducteur.

Or, dans une étude récente publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), des scientifiques affirment avoir trouvé une faille dans cette loi physique, 200 ans après qu'elle ait été décrite pour la première fois. Découvrez ci-dessous de quoi il s'agit.

Quelle est l'exception à la règle ?

Deux cents ans après sa formulation, des chercheurs de l'université du Massachusetts Amherst (États-Unis) ont identifié un scénario dans lequel cette loi ne s'applique pas à l'échelle macro, ce qui remet en question les notions établies et pourrait avoir des implications importantes pour diverses branches de la science et de la technologie.

Selon l'auteur principal, Steve Granick, l'étude est partie de la question suivante : "Et si la chaleur pouvait être transmise par une autre voie que celle que l'on suppose ? L'exception à la règle a été observée pour les matériaux transparents tels que les polymères translucides et les verres inorganiques. Les chercheurs ont montré que la chaleur se diffuse effectivement à travers ces deux matériaux.

La loi de Fourier est une relation mathématique entre l'énergie thermique circulant dans un corps par conduction et la variation de température dans ce même matériau. Le flux de chaleur va de l'objet à température élevée vers l'objet à température plus basse.

Ils se sont toutefois demandé si la translucidité pouvait également permettre à l'énergie de rayonner à travers les matériaux, et ont fini par montrer que oui, les matériaux translucides permettent un flux d'énergie interne en raison de petites imperfections structurelles, qui finissent même par devenir des sources de chaleur secondaires. Ces sources de chaleur secondaires continuent d'émettre de la chaleur à travers le matériau, c'est-à-dire que le rayonnement électromagnétique pur agit également et joue un rôle dans les matériaux.

Granick explique : "Ce n'est pas que la loi de Fourier soit fausse. Mais elle n'explique pas tout ce que nous voyons en matière de transfert de chaleur". La recherche fondamentale comme la nôtre nous permet de mieux comprendre le fonctionnement de la chaleur, ce qui donnera aux ingénieurs de nouvelles stratégies pour concevoir des circuits de chauffage.

Et comment ont-ils réalisé cette expérience ?

Des échantillons des deux matériaux ont été placés dans une chambre à vide afin d'éliminer tout l'air et d'empêcher le transfert de chaleur par convection, qui se produit par le mouvement de l'air. Ils ont ensuite utilisé un faisceau laser pour chauffer une petite zone d'un échantillon, tout en chauffant un côté de l'autre échantillon et en gardant l'autre côté au frais. Pour ce faire, ils ont utilisé une caméra infrarouge pour analyser la façon dont la chaleur se propage dans chaque échantillon.

Ils ont observé des anomalies dans le transfert de chaleur : l'échauffement se produisait plus rapidement que ne le prévoyait la diffusion, ce qui indiquait une contribution importante du rayonnement thermique. Ainsi, bien que la loi de Fourier ne soit pas incorrecte, elle n'explique pas complètement le transfert de chaleur.

À gauche, l'image du physicien mathématicien Jean Joseph Fourier et à droite une représentation schématique de sa loi physique de 1822. Crédit : Divulgation.
À gauche, l'image du physicien mathématicien Jean Joseph Fourier et à droite une représentation schématique de sa loi physique de 1822. Crédit : Divulgation.

Cette découverte pourrait permettre d'améliorer l'efficacité des dispositifs de refroidissement tels que les radiateurs et les systèmes de réfrigération, et une meilleure compréhension du transfert de chaleur pourrait profiter à des domaines tels que l'électronique, l'énergie solaire et même l'exploration spatiale.

Les auteurs estiment que cette découverte pourrait ouvrir la voie à des applications révolutionnaires dans plusieurs domaines scientifiques et modifier notre compréhension fondamentale de la loi de Fourier.

Référence de l'article :

Zheng, K.; Ghosh, S.; Granick, S. Exceptions to Fourier’s law at the macroscale. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), v. 121, n. 11, 2024.

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