Transferência de calor pode ser acelerada, diminuída e até invertida

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/04/2023

O fenômeno poderá ter aplicações na geração de energia termofotovoltaica e no controle térmico dos aparelhos eletrônicos.
[Imagem: IO-CSIC]

Controle do fluxo de calor

Nossa experiência diária nos diz que o calor sempre se move dos objetos quentes para os mais frios: Os objetos quentes emitem calor na forma de radiação eletromagnética, incorporada em quasipartículas chamadas fônons - lâmpadas incandescentes e câmeras de visão noturna são exemplos de tecnologias baseadas nesse fenômeno físico.

É claro que sempre existem casos excepcionais, sendo possível inverter o sentido do fluxo de calor, por exemplo fazendo o calor mover-se do frio para o quente.

Mas dois pesquisadores espanhóis acabam de demonstrar agora um fenômeno mais genérico, e em um aparato experimental relativamente simples em relação a esses casos exóticos demonstrados anteriormente.

Basta pegar dois objetos muito pequenos, na escala nanométrica, e fazê-los girar um em relação ao outro: Dependendo das frequências de rotação de cada um, a transferência de calor por radiação entre as duas nanoestruturas rotativas pode ser aumentada, reduzida ou até mesmo revertida em relação à transferência que ocorre na ausência de rotação.

Isso permite um grau de controle sobre a transferência de calor por radiação que poderá ter aplicações na geração de energia termofotovoltaica e no controle térmico de dispositivos eletrônicos - retirar calor dos computadores, por exemplo.

"A principal descoberta é que mostramos que a rotação pode modificar a transferência de calor por radiação entre duas nanoestruturas", disse Alejandro Manjavacas, do Instituto de Óptica Daza de Valdés, na Espanha. "Na ausência de rotação, essa transferência de calor por radiação é determinada exclusivamente pelas temperaturas das nanoestruturas. No entanto, quando elas giram, essa transferência pode ser aprimorada, suprimida ou até mesmo revertida."

O sistema experimental consiste em duas nanoestruturas axialmente simétricas, separadas por uma distância l ao longo do eixo z, girando em velocidades controláveis.
[Imagem: Deop-Ruano/Manjavacas - 10.1103/PhysRevLett.130.133605]

Calor em movimento

O calor pode mover-se de vários modos, inclusive como onda, ele pode ser transmitido através do vácuo ou até mesmo na forma de um calor viscoso.

Mas a forma mais tradicional é a transferência do calor por radiação entre as estruturas dos materiais, radiações que se originam das flutuações térmicas do campo eletromagnético.

O que os pesquisadores demonstraram agora é que, quando a distância entre as estruturas é muito menor que o comprimento de onda da radiação térmica, a transferência do calor por radiação pode superar em muito as previsões da Lei de Planck, devido à contribuição dos componentes de campo próximo do campo eletromagnético. Se as dimensões das estruturas também estiverem dentro desse intervalo, as fortes respostas produzidas por suas ressonâncias eletromagnéticas fornecem um aumento adicional da transferência de calor por radiação.

"Em relação às aplicações, qualquer avanço fundamental no entendimento da transferência de calor por radiação pode ajudar a melhorar as tecnologias baseadas nela," disse Manjavacas. "Os principais exemplos são a geração de energia termofotovoltaica e o gerenciamento térmico de dispositivos eletrônicos em nanoescala. Por exemplo, a geração de energia termofotovoltaica é baseada na transformação de calor em radiação eletromagnética, que é absorvida por uma célula fotovoltaica para produzir eletricidade. O controle da transferência de calor por radiação torna esse processo mais eficiente."

Mas a dupla está de olho também em aplicações mais comuns, como na transformação do calor em movimento.

"Nós estamos interessados em investigar a possibilidade de transformar calor em movimento explorando as interações de Casimir," disse Manjavacas. "Outra possibilidade interessante é analisar a interação entre a rotação e as respostas magneto-ópticas no contexto da transferência de calor por radiação e do torque de Casimir."

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