Resumo: Neste trabalho apresentamos um estudo teórico das técnicas de Lente Térmica (LT) e Espelho Térmico (ET) resolvido no tempo levando em consideração o acoplamento térmico entre amostra e o fluido. A equação de difusão de calor considerando fluxo de calor na interface amostra-fluido foi resolvida para obter uma solução semi-analítica para a temperatura na amostra e no fluido. A solução encontrada para temperatura, considerando amostras com pequena absorção óptica, foi comparada com o resultado obtido utilizando Método de Elementos Finitos (MEF). Um software que utiliza MEF fornece soluções numéricas para a equação de difusão de calor com condições de contorno realistas impostas pela geometria experimental. Os resultados encontrados por meio de MEF apresentaram ótima concordância com a nossa solução. Verificou-se que a transferência de calor de um vidro padrão para o ar não introduz diferença relevante na mudança de fase do feixe de prova induzido pela amostra quando comparado com a solução sem fluxo de calor. Porém, a contribuição de LT criada pelo ar que circunda a amostra corresponde a aproximadamente 2% do efeito de lente térmica da amostra. Quando água é utilizada como fluido circundante à amostra, um efeito significante de mudança de fase surge tanto na amostra como no fluido.
Abstract: This work presents a theoretical study to take the heat transfer within the heated sample and out to the surroundings medium into account in the time resolved thermal lens and thermal mirror experiments. We solve the diffusion equations with heat flux boundary condition to obtain a semi-analytical solution for the temperature in the sample and in the surrounding fluid. In the low optical absorption case, the semi-analytical solution is used to model the thermal lens effects and the results are compared with the finite element analysis (FEA) software solution. Finite element analysis software provides numerical solutions to the heat transfer equations with realistic boundary conditions imposed by the experimental geometry. The FEA modeling results were found to be in excellent agreement with our solutions. The heat transferred to the air coupling fluid does not introduce any important effect in the sample phase shift when compared to the solution obtained without considering heat flux. The contribution from the thermal lens created in the air coupling fluid corresponds to approximately 2% of the sample's TL effect. When water is used as fluid the heat coupling leads to a more significant effect in both sample and fluid phase shift. |
