Bidrag til RUC's årsberetning 2003,
ved lektor Tage Christensen, IMFUFA.

Læg hånden på en metalflade; prøv dernæst at lægge den på en flade af plastic eller træ. Selv et barn kender fornemmelsen. Metalfladen virker koldest. Dette er jo umiddelbart mærkeligt for, hvis metallet og plastic’en har ligget længe i en stue, har de jo samme temperatur, nemlig stuens temperatur. Hånden er imidlertid varmere, og når man lægger hånden på en af de koldere flader vil varme strømme fra hånden og ud i materialet, og dette tab af varme føles som kulde. På trods af, at temperaturforskellen D T mellem hånd og materiale til en start er ens i de to situationer, strømmer varmen ikke lige hurtigt ud i metal eller plastic. Der er to termiske egenskaber, som betinger dette - nemlig varmeledningsevnen, k, der angiver, hvor godt et materiale transporterer varme, og varmefylden, c, der angiver, hvor godt et materiale lagrer varme. Mere præcist vil varmestrømmen pr arealenhed, I(t) , der strømmer ud af hånden til tiden t, efter berøringen være:

Af formlen fremgår at varmeudstrømningen er hurtigst i starten. Det er fordi, man varmer de nærmest liggende områder op først, og når temperaturforskellene mindskes nedsættes varmeudstrømningen i takt hermed. Med hånden "måler" man altså størrelsen der også går under navnet effusiviteten, hvilket nærmest kan oversættes med udstrømningsevnen. Metal har en meget større varmeledningsevne og dermed effusivitet end f.eks. plastic og føles derfor koldere.

Dette hverdagsfænomen er i grundtræk princippet bag en måleteknik til bestemmelse af væskers termiske egenskaber, som Claus Behrens i sit Ph.d. studium inden for Soft Materials Science ved IMFUFA, har arbejdet med. Ved brug af instituttets elektronstråle vacuumfordampningskammer har han produceret tynde film af bl.a. nikkel og kul ovenpå et elektrisk isolerende substrat. Filmen blev tilføjet elektroder og kunne derefter anvendes som samtidig varmekilde og termometer. Væsken lægges oven på filmen, der dermed spiller rollen af "hånden" i ovennævnte analogi, med den (mindre) komplikation, at varmen nu strømmer ud i både væsken og substratet.

Formålet var at studere underafkølede væskers varmefylde, når de er ved at overgå til glasform. Her forekommer der nemlig en lang række interessante fænomener, man ikke har fuldt forstået, bl.a. bliver varmefylden tidsafhængig fordi væskens struktur ændres på samme tidsskala , som eksperimentet varer. Processen kaldes strukturel relaksation. En måling af dennes tidsafhængighed er vigtig for udvikling og verificering af teorier for overgangen mellem væske og glas.

Formlen for tidsafhængigheden af varmeudstrømningen bliver langt mere kompliceret end før, og man skal nu kunne adskille bidraget fra den interessante relaksationsproces fra det i denne sammenhæng uinteressante bidrag, der skyldes varmeudbredelse. Det viser sig at blive langt lettere at foretage denne adskillelse, hvis man lader varmepladen varme periodisk i stedet for pludselig at ændre dens temperatur. Det er også eksperimentelt lettere at realisere. Der sendes ved denne metode varmebølger ind i substrat og væske. Fra temperaturen som den måles på filmen kan man beregne effusiviteten.

Alt dette er ikke nyt om end metoden bestemt heller ikke er standard endnu. Claus fik imidlertid problemer ved implementeringen af metoden, og løsningen af disse problemer har gjort anvendeligheden af metoden langt større. De nævnte formler for varmeudstrømningen er kun gyldige sålænge, at man kan anse varmetransporten for at gå vinkelret på varmepladen. Det gælder for hurtige varmesvingninger, hvor bølgerne kun trænger et lille stykke ind i væsken sammenlignet med pladens størrelse. Kun en lille del af Claus’ data kunne analyseres i denne grænse. Ved langsomme svingninger trænger bølgerne længere ind og vil nu også udbrede sig i andre retninger. Det lykkedes at gennemregne denne betydeligt mere komplicerede situation, og resultaterne blev yderligere bekræftet af numeriske computerberegninger foretaget af fysikstuderende Eva Uhre i et projekt på kandidatuddannelsen.

Man har herved opnået to ting. For det første kan man nu ved metoden bestemme begge de to termiske egenskaber, varmeledningsevnen og varmefylden. Tidligere kunne metoden kun give deres produkt via effusiviteten. Derudover har man udvidet det tidsinterval, hvorover man kan måle relaksations-processerne, ganske betydelgt.

Hvad kan det bruges til? Dette arbejde er en enkelt brik i en grundforskning rettet mod at forstå væsker og glassers egenskaber. Det er trangen til at udforske naturen, der driver denne slags forskning og ikke anvendelses aspektet. Denne holdning er slet ikke i modstrid med skatteydernes ønske om at få noget for pengene. Grundforskningen er i det lange løb betingelsen for den anvendte forskning. Et bud er, at denne metode udviklet med henblik på at studere underafkølede væskers relaksations- egenskaber kunne gå hen at blive en kommerciel metode til bestemmelse af almindelige væskers termiske egenskaber. Den vil nemlig kunne udformes meget robust sammenlignet med de metoder, der anvendes i dag.