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神奇!挤压拉伸就能迅速发热或变凉,有望创造史上最环保的冰箱

时间:2020-09-13 12:31  来源:  阅读次数: 复制分享 我要评论

【智能家居网】

1802 年,约翰·高夫(John Gough)首创性地撰文形貌了如许一种奇异的征象:敏捷拉伸一块天然橡胶,橡胶倏忽变得暖和;随后橡胶放松时,又发生凉快感----这就是弹性热量效应(elastocaloric effect),示意某些材料在外部触发要素下,如拉伸、挤压、磁场或电场,会发生温度的变化。
现实上,在过去的几十年中,研讨人员发明了愈来愈壮大的热量材料,推进或挤压这类新型材料,它们将阅历破纪录的温度变化,因而有望成为制作环保的冰箱和空调的症结所在。由于由热量材料制出的冷却装配,不会走漏有害的制冷剂,而制冷剂对环境的伤害多是温室气体的数千倍。
变形挤压式冷却器的症结--熵变在高夫的试验中,拉伸橡胶时现实大将内里的长长份子排成了一行。这类对齐体式格局减少了体系中的份子杂沓水平----而“熵”就被用来权衡这类杂沓。也就是说,橡胶内份子变得越发整洁,其熵就下落了。
依据热力学第二定律,一个封闭体系的总熵必需增添,或最少坚持恒定。因而,假如高夫运用的橡胶份子构造的熵下落,那末其他位置必需增添。
在高夫的试验中,份子的振动活动会使熵增添。这类份子的加快活动会表现出隐蔽的热,称为潜热(latent heat)。假如橡胶拉伸得充足快,则潜热会留在材估中,材料自身的温度就会升高。
现在来看,很多材料最少具有细微的弹性热量效应,在挤压或拉伸时会稍微升温。然则要到达足以在冷却体系中运用的温度变化,材料则须要更大的熵变。外形影象合金的症结--相变明显,结果更好的冷却装备须要更好的热量材料。迄今为止,最好的弹性材料是外形影象合金(shape memory alloys)。它们由于相变(phase change)而发生热量变化,相变指的是:物资从原有状况改变成其他气、液、固态而不引发化合物实质改变,比方液态水冻结成冰的历程。
外形影象合金有一个状况是呈翘曲状并坚持。然则,假如进步热量,合金的晶体构造将改变成更刚性的状况,并恢复为底本的外形(因而被称为外形影象合金)。
而外形影象合金在发生相变时,其晶体构造的改变就会引发熵变。在像镍钛如许的外形影象合金中(镍钛是能表现出最大的弹性热效应的材料之一),其刚性状况的晶体构造呈正方体,而柔韧状况的晶体构造则呈钻石状的菱形立方体。
菱形立方体比正方体具有更少的大概构型。想想,假如扭转四个大概的角度(90、180、270 或 360 度),正方体都将坚持稳定。而菱形立方体,只要经由两次扭转(180 度和 360 度)后才会看起来雷同。

镍钛外形影象合金受力时的相变、熵变、温度变化

因而,菱形立方体的熵较小。当外力作用于处于刚性状况的合金时,它会改变成易蜿蜒的低熵状况,从而使材料温度升高。若要将这类材料应用于空调或冰箱中,则必需在敏捷披发热量的同时,将合金坚持在柔韧低熵的状况。

相干材料与研讨进展早在 2012 年,马里兰大学的材料科学家 Ichiro Takeuchi 及其同事就测得,镍钛丝的温度变化可达 17 摄氏度。三年后,卢布尔雅那大学的 JakaTu?ek 等人也发明相似的金属丝,温度变化可达 25 摄氏度。
客岁,北京科技大学一个研讨小组发明了一种新型的镍锰钛外形影象合金,听说可到达 31.5 摄氏度的庞大温度变化。巴塞罗那大学的固态物理学家 Antoni Planes 说:“这是迄今为止机能最好的材料。”

北京科技大学发明的镍锰钛外形影象合金

是什么让它云云优胜呢?在相变历程当中,镍锰合金会压缩。由于体积对应于材料的大概份子构型的数目,所以体积的减小能够致使进一步的熵降。Planes 说:“这一分外的长处使这类材料变得风趣。”
另一种风趣的材料则是塑料晶体——新戊二醇(neopentylglycol)。这类材料柔嫩易变形,其份子松懈分列在三维晶格中。它们之间的相互作用很小,能够扭转到约莫 60 个差别的方向。然则当施加充足的压力时,份子的大概构型变少,材料的熵就下落。
客岁,有两个团队取得了有史以来最大的气压热量效应(barocaloric effects)。个中一个团队报告的熵变成 500 J / kg / K,这是固体材料有史以来发明的最大熵变,与贸易流体制冷剂的熵变量相称。其计算出的响应温度变化最少为 40 摄氏度。另一个团队则属于中国沈阳材料科学国度试验室,报告说其熵变到达 389 J / kg / K。
然则对该范畴的研讨依然存在很多现实应战。一方面只管气压热量材料比弹性热量材料不容易委靡,但须要数千大气压的庞大压力。另一方面,施加如许的压力之前还须要将材料密封。Tu?ek 说:“假如密封全部体系,则材料与周围环境之间举行热交换会变得很难题。”
相比之下,Planes 和他的历久合作者 Lluís Ma?osa 则专注于对多种刺激(比方同时施加力和磁场)做出回响反映的多重热量法。多热量装备大概会更庞杂,然则多重刺激大概会以更高的效力驱动更大的熵变和温度变化。
Planes 说:“这一范畴的远景一片灼烁。然则现在我们才方才起步。”
排版:赵辰霞
编审:王新凯
参考资料: