Lasin ei olisi pitänyt kiehua. Mutta se tapahtui.
Fyysikkojen ryhmä löi pieniä lasikuutioita uunissa sähköjännitteellä siitä, mitä saat kodin pistorasiasta. Se riitti sähköä lasin lämmittämiseen, joka oli jo melko lämmin uunin ympäristön lämmöstä. Mutta lasin keittämisen ei olisi pitänyt olla tarpeeksi virtaa. Lasi kiehuu vasta, kun se saavuttaa lämpötiloja tuhansia asteita korkeampi kuin virran olisi pitänyt tuottaa. Ja silti fyysikot näkivät uunissaan virran virtatessa ja luoneen sähkökentän, jolloin lasinäytteestä nousi ohut "höyryjuoksu".
Jotta se tapahtuisi, sähkövirran olisi pitänyt keskittyä lasin yhteen osaan, toimittaen energiansa epätasaisesti. Mutta siellä on ongelma: Se on lakien vastaista.
Tässä on sopimus: Kun sähkövirta kulkee tasaisen materiaalin läpi, sen on tarkoitus kuumentaa koko materiaali tasaisesti. Tutkijat kutsuvat tätä Joulen ensimmäiseksi lakiksi brittiläisen kemian James Prescott Joulen jälkeen, joka löysi sen 1840-luvun alkupuolella. Se on aineellinen tosiasia, jonka juuret ovat energiansäästölaissa, joka on yksi maailmankaikkeutta hallitsevista perustavimmista säännöistä. Ja me näemme sen työssä joka päivä; hehkulamppulangoilla ei olisi mukavaa, tasaista hehkuaan ilman Joulen lakia työssä.
Mutta tämä virta näytti rikkovan lakia. Höyry ei vain noussut tietyistä lasin osista, vaan myös hotspot (näkyvä infrapunakameralla) tanssi kipeästi sen pinnan yli. Uudelleen ja uudestaan kokeiluissaan kuormituspisteitä ilmestyi.
"Tämä lasi on yhtenäinen pienimmällä tasolla", Himanshu Jain, Lehigh Universityn Bethlehemin yliopiston materiaalitieteilijä Pennsylvaniassa ja ilmiötä kuvaavan tutkimuksen avustaja, joka julkaistiin 26. helmikuuta Nature Science Reports -lehdessä.
Lasi on eriste ja se ei kanna virtaa hyvin; vaikka pieni, sen odotetaan kääntävän suurimman osan tästä virrasta lämmöksi. Perinteinen ajattelu Joulen ensimmäisestä laista ennustaisi, että sähkövirta lämmittäisi lasia tasaisesti, aiheuttaen sen hitaasti sulavan ja muodonmuutoksen, Jain kertoi Live Sciencelle. Ja useimmissa olosuhteissa juuri niin tapahtuu.
"Tarkastelimme kuumalasin pehmenemistä sähkökentän alla", Jain sanoi, "ja se on asia, jota kukaan ei ollut tehnyt ennen."
Epätasainen kuumennus osoittautui, että se tyhjensi energiakuormia lasin anodin lähellä, virran tulopisteessä. Joten lasi sulaa ja haihtui siellä, vaikka se pysyi kiinteänä muualla. Lämpötilat kuormituspisteissä olivat paljon kuumemmat kuin muun lasin. Yhdessä pisteessä lasin yksi alue, jota kuumennetaan noin 2 500 F (1 400 C) alle 30 sekunnissa.
Joten rikottiin Joulen lakia? Kyllä ja ei, Jain sanoi; makroskooppisesti ajatellen, se näytti niin. Mikroskooppisesti ottaen vastaus olisi "ei" - se vain ei koske enää lasia kokonaisuutena.
Joulen ensimmäisen lain mukaan tasaisen sähkökentän tulisi kuumentaa materiaali tasaisesti. Mutta korkeissa lämpötiloissa sähkökenttä ei vain lämmitä lasia - se muuttaa sen kemiallisen meikin.
Sähkökentät liikkuvat lasin läpi, kun positiivisesti varautuneet ionit (negatiivisesti varautuneista elektroneista irrotetut atomit) kaatavat paikoiltaan ja kuluttavat varauksen lasin poikki, Jain sanoi. Kevyimmät ionit liikkuvat ensin kuljettaen sähkövirtaa.
Tämän kokoonpanon lasi oli valmistettu hapesta, natriumista ja piistä. Natrium, kevyesti sitoutunut kevyt ioni, teki suurimman osan energian kuljetuksesta. Kun riittävä määrä natriumia oli siirtynyt, se muutti lasin kemiallista koostumusta lähellä anodia. Ja kun kemia muuttui, lasi oli enemmän kuin kaksi erilaista materiaalia, ja Joulen lakia ei enää sovellettu yhdenmukaisesti. Hotspot muodostettu.
Kukaan ei ollut huomannut vaikutusta aikaisemmin, Jain sanoi, todennäköisesti koska se ei potku sisään, ennen kuin lasi on jo melko kuuma. Tämän kokeen materiaalissa ei kehittynyt kuumia kohtia ennen kuin uunin lämpötila oli noin 600 F (316 ° C). Se ei ole kovin kuuma lasille, mutta se on paljon kuumempi kuin olosuhteet, joissa useimmat lasia ja sähköä käyttävät sähkökoneet toimivat.
Toistaiseksi tutkijat ovat kuitenkin selvittäneet, miksi lasi kiehui, kun sen ei pitänyt olla. Ja se on aika jännittävää sinänsä.
Toimittajan huomautus: Tämä artikkeli päivitettiin osoittamaan, että Joulen lakia rikottiin yhdestä näkökulmasta, mutta ei toisesta, samoin kuin lasin asennuksen kemiallisen meikin korjaamiseksi.
