橡皮筋也能用來做冰箱?扭轉熱製冷是什麼黑科技?

2021-01-07 北京科學中心

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你敢相信嗎?橡皮筋也能用來製冷,甚至可以用它來製作一臺「冰箱」!

今年10月11日,南開大學劉遵峰教授團隊與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校雷·鮑曼(Ray H.Baughman)教授團隊在《Science》上發表一篇論文,描述了扭轉熱製冷的現象。

他們發現,把橡膠纖維、尼龍線、聚乙烯釣魚線、鎳鈦合金線充分拉伸、扭轉並快速釋放,可以起到為周邊環境降溫的效果。這使得「橡皮筋製冷」不再是天方夜譚。

為什麼扭轉後的材料有吸熱製冷的本領呢?有沒有可能用橡皮筋製作出一臺真正可以使用的冰箱呢?

舊理論與新發現

故事要從200多年前說起。那時雙目失明的英國自然與實驗哲學家高夫(John Gough)憑藉著他對溫度細膩的感知能力發現:迅速拉伸橡皮筋時,周圍空氣溫度會上升;橡皮筋快速收縮時,溫度會下降。

50年後,物理學家焦耳(JamesJoule)從科學的角度證實了這種現象的存在,人們把這種現象稱為彈熱效應,或是「高夫-焦耳效應」。

焦耳(James Joule)

不過這種效應一直沒有受到發明家們的重視。原因很簡單,要想讓橡皮筋吸收足夠的熱量,達到製冷的效果,就要預先把它拉到原來的6~7倍長,這樣很佔用空間,也很難設計出一臺反覆不斷拉伸橡皮筋的機器。

更重要的是,橡皮筋彈熱效應的製冷效率僅僅約30%。這種「冰箱」消耗的能量只有很少一部分能量用於製冷,大部分都被浪費掉了。

那麼,有沒有別的辦法,讓彈熱效應更加顯著,效率更高呢?

時間回到現在,從事材料研究的劉遵峰教授時常要對材料進行扭轉、解除扭轉等處理,他發現這個過程中材料往往伴隨著吸熱與放熱,與彈熱效應十分相似。那麼,與扭轉相伴而來的熱量變化能否用於製冷呢?

於是,劉遵峰團隊與德克薩斯州立大學的雷·鮑曼(Ray Baughman)教授合作,用不同的材料開展了一系列關於扭轉製冷的實驗。

左:劉遵峰,右:雷·鮑曼(Ray Baughma

他們把橡膠纖維充分扭轉並同時拉伸1倍,橡膠纖維被迅速釋放後,其製冷效果相當於把同樣的橡膠纖維直接拉伸7倍後釋放。

在其他材料上也有相同的現象,扭轉熱效應的降溫效果遠超單一的彈熱效應。並且,扭轉程度越高,被釋放時的降溫越明顯。

劉遵峰團隊還用3根鎳鈦記憶合金絲製作了一臺「扭轉熱冰箱」模型。該裝置將3根合金絲的兩端固定後同時扭轉,然後迅速釋放扭轉,並將待冷卻的水注入。被瞬間釋放的合金絲吸收周圍水的熱量,使水的溫度降低。

經過測量與統計,這個「扭轉熱冰箱」可以讓水溫下降7.7℃,並具有很高的效率,超過了普通壓縮機冰箱內的製冷劑。

「扭轉熱冰箱」模型

不過,這種「橡膠纖維製冷」冰箱還僅停留在實驗室內,要想真正問世,為我們所用,還需要克服一系列技術上的難關,並接受市場的考驗。

扭轉熱製冷的原理

說到這兒,我們知道了扭轉並快速釋放物體會使它吸收熱量的現象。那麼這個現象背後,到底藏著怎樣的物理原理呢?

要想探究扭轉熱效應的本質,我們需要進入微觀世界,看看被扭轉的物體內部發生了什麼。

以尼龍線、聚乙烯釣魚線為例,它們都是高分子材料,由許多長鏈狀的分子構成,當被充分扭轉時,其內部分子的形狀和分子之間的排列方式會發生改變,形成新的微觀結構;當扭轉被釋放,其內部又會恢復到原來的微觀結構,這個過程叫做相變。

被扭轉的尼龍和聚乙烯線

大家不要被相變這個新名詞嚇到,我們每天都在和它打交道。現在,北京二環邊上的護城河已經結了一層冰,水結成冰、冰熔化成水就是生活中最常見的相變。

有些相變伴隨著熱量的吸收與釋放。當水結成冰時會向外界放出熱量,當冰化成水時會向外界吸收熱量。

聚乙烯釣魚線也一樣,當它被充分扭轉時,發生相變,同時向外界放出能量,使外界溫度升高。

當扭轉被釋放,釣魚線回到舒展、鬆弛的狀態時,其內部微觀結構也通過相變回到了原來的狀態,同時吸收外界的熱量,使外界溫度降低,達到製冷的目的。

鎳鈦合金絲的製冷原理也與之相同,被充分扭轉的鎳鈦合金絲內部為馬氏體結構,扭轉被釋放後,發生相變,轉變為奧氏體結構,同時吸收熱量,為外界降溫。

扭轉熱冰箱如何製作

說到這裡,可能有小夥伴會產生這樣的疑問:雖然迅速釋放扭轉的材料可以為外界降溫,但是扭轉材料本身是需要放出熱量並使環境溫度增加的。

熱量一會兒被吸收,一會兒又被釋放,外界溫度難道不會也隨之一會兒降低,一會兒增加嗎?怎麼能保證這個冰箱能持續地製冷呢?

這個問題在理論上很好解決,我們家家戶戶都有的空調和壓縮機冰箱就能告訴我們答案。

如果你仔細觀察就會發現,夏天屋裡空調吹冷風時,室外機就會源源不斷地向外湧出熱風;冰箱正常製冷時,冰箱門裡冰冰涼涼的,而冰箱的外表面卻很溫熱。

其實冰箱和空調並會不憑空地讓熱量消失,而是把熱量從一個地方轉移到了另外一個地方,一邊為一個地方製冷,一邊為另一個地方加熱。

傳統壓縮機冰箱的原理和「扭轉熱冰箱」的原理有相似之處,都是靠著某一種物質相變帶來的熱量變化來製冷和加熱的。

壓縮機冰箱內循環流動著製冷劑,製冷劑相變帶來的熱量變化可以為冰箱內部製冷。

液態的製冷劑經過靠近冰箱內壁的蒸發器後,會蒸發轉變為氣態,同時吸走大量熱量,給冰箱內降溫。

隨後,氣態製冷劑通過壓縮機加壓,並經過靠近冰箱外側的冷凝器冷凝,從氣態再次轉變為液態,同時釋放大量熱量,使冰箱外的溫度升高。

液態的製冷劑經過節流毛細管減壓,再次來到蒸發器中發生相變,進入下一個循環。如此循環往復下去,就能為冰箱內部持續地製冷。

講到這裡,想必聰明的小夥伴已經想到了解決的思路。

當材料被扭轉,發生相變並放熱時,將冰箱內部與該材料隔絕,只允許熱量從被扭轉的材料向外傳遞,為冰箱外側加熱。同時,需要用散熱器將冰箱外側過多熱量排出。

當扭轉的材料被迅速釋放,恢復成原來的樣子,發生相變並吸熱時,將冰箱外部與該材料隔絕,只允許冰箱內的熱量被吸走,從而降低冰箱內溫度。

這樣一來,經過材料不斷地被扭轉、被釋放,冰箱內的熱量會一次次地被吸走並最終轉移到冰箱外側。

不過,壓縮機冰箱的製冷劑是液體或固體的形態,可以不斷地流入流出冰箱,交替地為冰箱內外製冷或加熱。

像合金絲這樣的固體材料,需要固定在一個特定的位置,如何讓它只向冰箱內吸收熱量,並且只向冰箱外釋放熱量成為了棘手的難題。這也是阻礙「扭轉熱冰箱」從實驗室走向千家萬戶的瓶頸。

也許未來的科學家、工程師或是現在正在讀這篇文章的你能腦洞大開,設計出一種新型的傳熱機構,讓「扭轉熱冰箱」能更方便日常地供我們使用與操作,最終進入尋常百姓家。

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