用一条橡皮筋,怎样造出一台高效的冰箱?

原创: 环球科学 1周前 2019-10-15

将一根橡皮筋拧成麻花再松开,会发生什么变化?皮筋还是那根皮筋,但扭曲-释放的过程,其实伴随了橡皮筋的放热与吸热。正是这个看似不起眼的热量变化过程,让南开大学和美国得克萨斯州立大学的合作研究团队找到了更高效的制冷方式。在发表于《科学》杂志的最新研究中,他们验证了“扭热效应”的制冷潜力。或许,未来的冰箱使用的将不再是制冷剂,而是一根根被扭曲的线绳。

撰文 | 吴非

制冷难题

  还记得中学物理中冰箱制冷的原理吗?冰箱的制冷过程是一个卡诺循环,而其中的关键就是制冷剂:低温的液态制冷剂在蒸发器中吸收冰箱中的热量并汽化;蒸汽进入压缩机,被压缩成高压气体后排出;高压气体进入冷凝器,凝结成高压液体;液体流经膨胀阀时压力降低,进入蒸发器。以上4个步骤周而复始,实现了冰箱内部的制冷。这样的制冷剂,同样用于空调等制冷设备。

  但是,这个被广泛使用的制冷过程却存在固有的问题。液态制冷剂的卡诺效率只有60%左右,因此制冷需要消耗大量能源:全球20%的电能,都用在了冰箱及空调制冷上。此外,目前的制冷工艺还释放了大量温室气体;一旦制冷液泄露,更会直接威胁到生态环境。

  是时候想办法抛弃液态制冷剂了。寻找更加高效、环保的制冷方式,已经成为众多研究团队探索的目标。一个候选方向是固态制冷,包括电热效应、磁热效应等,即通过固体材料状态的变化来改变环境温度。而最具希望的固体制冷手段,则是弹热效应

  1805年,英国实验哲学家约翰·高夫(John Gough)首次观察到(准确地说,是感受到)弹热效应。高夫在幼年时因感染天花而失去了视觉,但这也赋予他更敏锐的感知能力。他在拉伸橡皮筋时发现,如果在嘴唇跟前拉伸橡皮筋,嘴唇可以感受到空气的升温;而当橡皮筋弹回,嘴唇感受到的则是一丝凉意。就这样,高夫发现了该过程中的热量变化。多年后,著名物理学家詹姆斯·焦耳(James Joule)进一步确认了弹热效应,该现象也被命名为高夫-焦耳效应。

  不过,尽管基础理论早在200多年前就已经诞生,但基于弹热效应的应用却并不常见。通过橡胶或其他弹性材料制冷的卡诺效率只有32%,这显然不能令人满意。而且,要通过弹热过程产生显著的热量变化,则需要将材料拉伸到足够的长度——例如,一根橡胶绳需要被拉长6~7倍,这使得科学家难以研制出小型、高效的制冷装置。

从弹热到扭热

  怎样在弹热装置的基础上,打造更加实用的制冷装置?南开大学的刘遵峰团队想到了拉伸之外的另一种变化——扭曲。接受采访时,刘遵峰教授介绍了灵感的来源。此前在进行人工肌肉等材料研究时,常常会利用加捻与解捻,即对材料施加扭曲力以及解除扭曲力。“既然加捻与解捻过程恰好伴随了热量的释放与吸收。因此我们决定试试看,这个过程能否用于制冷?”刘遵峰解释道。

  刘遵峰团队与得克萨斯州立大学的雷·鲍曼(Ray Baughman)教授合作,验证了这个想法。他们首先使用天然橡胶纤维进行测试:固定住橡胶的两端后,在将橡胶拉伸1倍的同时,施加不同程度的扭曲力。这时,橡胶纤维分别处于如下图所示的四种状态:扭曲、部分螺旋、完全螺旋和超螺旋,四种状态的扭曲幅度依次增加。随后,研究者快速释放扭曲力,并观察该过程中的热量变化。

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  结果不出所料:扭曲程度越高,橡胶纤维被释放时的降温越明显。而且,扭热的降温效果远超单纯的弹热效应:橡胶纤维被拉伸1倍、处于超螺旋状态时,解捻产生的最高降温幅度达到15.5,平均降温也有12.4。作为对比,如果仅仅拉伸橡胶,需要将橡胶纤维拉长7倍,才能达到相近的降温效果。

  至此,研究证实了扭热效应在高效制冷中的潜力。不过,研究团队并未就此止步。天然橡胶虽然在上述测试中数据喜人,但它仍算不上完美的制冷材料。由于橡胶传热较慢,需要大幅的加捻才能表现出明显的降温效果;再加上橡胶长期加捻后容易出现疲劳现象、使用寿命有限,因此研究者继续探索了其他材料在扭热制冷中的表现。

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最新论文的两位通讯作者:刘遵峰(左)与雷·鲍曼(右)

寻找更高效的材料

  在这个过程中,他们注意到一个意料之外的现象:聚乙烯、尼龙钓鱼线等刚性高分子材料,也在加捻-解捻过程中呈现出温度的变化。研究推测,这是因为高分子材料的晶型在释放扭曲力时发生了相变,从熵值更高的斜方晶系转变为单斜晶系,从而降低了环境温度。进一步的X射线衍射也证实了这个猜想。与质地柔软的橡胶材料相比,这些坚硬的高分子材料更加耐用。

  在这些测试的基础上,研究团队希望找到一种兼具耐用性、导热性与硬度的材料。他们选择了此前弹热效应研究中常用的镍钛记忆合金(Ni52.6Ti47.4),一种理论卡诺效应达到84%的材料。与上文的高分子材料相似,镍钛合金的温度变化同样源自晶型的变化:加捻时,金属发生相变,从奥氏体(面心立方结构)转变为马氏体(体心立方结构);解捻时,则发生相反的转变。

  刘遵峰团队使用镍钛合金,打造了一个“扭热冰箱”的原型。在这个小型冰箱模型中,作者使用了3根镍钛记忆合金丝。装置将3根合金丝的两端固定后同时加捻,随后解捻,完成一个制冷循环。这时的合金丝如同冰箱中的制冷剂,吸收周围水流的热量。对装置出口处水温的监测显示,这个“扭热冰箱”让水温下降了7.7

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  刘遵峰表示,橡胶的卡诺效率达到67%,是此前弹热效应的两倍。但他也指出,尽管扭热效应前景喜人,但目前仍有不少问题需要解决。刘遵峰团队也正在寻找抗疲劳、导热性更好的复合高分子材料,以提升制冷表现;装置的设计细节有待提升,从而在加捻、解捻过程中更加合理地利用能量;他们也在尝试开发与实际更接近的冰箱模型。

  共同通讯作者鲍曼也表示:“距离实现扭热冰箱的商业化,仍然有很长的路要走,也存在很多挑战。但同时,我们也面临潜在的机遇:在现有材料之外,我们有机会优化性能更加优异的扭热制冷材料。”

原始论文:

https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216/tab-article-info

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