如何不使用任何能量冷却物体?

原创:中科院物理所

今年夏天是有记录以来的最热的夏天之一,而且可能会越来越热。笔者认为如今的空调已经不仅仅是生活好物,而成为了必需品。空调降温的方法有很多,最常见的方法是使用压缩机和制冷剂。然而,这种传统的空调设备维修困难(而且贵),耗电量也相当大。2022年,美国有10%的能源用于冷却空气,这可不是一个小数字。

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图片来源: JOSEPH GIACOMIN/GETTY IMAGES

我们确实有必要考虑其他降温的方法。有一种降低物体温度的方法,甚至不需要能量或燃料——那就是辐射冷却。通过使用合适的材料,你可以让物体辐射的能量多于它吸收的能量,从而将温度降低几度。这听起来像是在说大话,但它确实是真的,而这要归功于一些非常酷的物理学理念。

万物都能发光

万物都能发光,这意味着万物都能传递热能。听起来可能很奇怪,但别着急,让我们先从灯泡开始思考。现在已有几种方法可以让物体发光,其中最简单的方法就是让它变得超级热。这就是传统白炽灯泡发光的原理:电流通过灯泡内的灯丝,使灯丝发热发光(这个温度约为3,600华氏度,即1,982摄氏度)。因为其原理很简单所以这种灯泡已经存在100多年了。

但是,对于那些温度不是很高的东西呢,比如土豆,你最喜欢的一双鞋,或是门把手?答案是肯定的,它们也会产生一种光。

别忘了,光是一种电磁波,所有的电磁波都以光速(3 x 108 m/s)传播,但波长是不同的。当电磁波的波长在400纳米到700纳米之间时,我们就称之为可见光,人眼就可以探测到它。土豆(在室温下)产生的电磁波的最大强度为9.8微米,我们称这一电磁波谱区域的电磁波为红外光。人们无法用眼睛探测到它,但可以用红外摄像机生成图像。

以笔者的狗子为例。由于它的体温比周围的环境稍高,因此产生的光波长也略有不同。这意味着在红外图像中,它会凸显出来而不会混入背景中。

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图片来源:RHETT ALLAIN

物体之间有三种传热方式。最常见的方式是热传导。当两个温度不同的物体接触时,热量就会从温度较高的物体传递到温度较低的物体。比如你用手握着一罐冰苏打水,罐子会变热,而你的手会变凉。

第二种传热方式是对流,这种方式只适用于流体(即气体和液体)。让我们以空气为例。假设你有一个像炉灶这样的热源,通过热传导作用,炉灶附近的空气温度会升高。现在,炉灶附近的较热的空气密度低于远离炉灶上方较冷的空气密度。热空气将上升,冷空气将下沉到热空气原来的位置。然后,热空气又会与所在空间上方的东西(比如天花板)发生热传导作用。从炉子到天花板的间接热传递就是对流。

第三种传热方式是辐射,这才是我们真正想讨论的。当一个热物体发出红外辐射时,这种辐射会被其他物体吸收。这正是烤箱的工作原理。你把想烤的东西放在烤箱里面,烤箱里面的加热元件就会变得非常热,产生热辐射(没错,就是红外线)。食物吸收了热辐射,温度就会升高。

现在想象一下,你把烤箱预热,然后关上电源,再把一个土豆放进去。热烤箱发出热辐射,而土豆吸收了大部分热辐射。结果是土豆变热,烤箱变冷。这并不是烤土豆的正常方法,但这里的重点是,当物体(烤箱)产生热辐射时,它们就会冷却下来

但是假如我们周围的所有东西都在发出红外线电磁辐射,那么周围一切按此理说不都应该在变冷吗?其实不然。如果你把一个苹果放在桌子上,它会发出热辐射。但它同时也会吸收其他物体的辐射:桌子、空气、墙壁。因此,当同一区域附近的所有物体均已达到相同温度时,它们并不会因为辐射而变冷。

反射率 vs. 发射率

要完全理解辐射冷却的原理,还需要考虑另一个非常重要的性质:反射率发射率之间的区别。想象你有一面完美的镜子。所有照射到它的光线都会被反射出去。这面镜子的反射率为1,这意味着照射到它的光线百分之百都会被反射出去。

铝箔也能反射大量光线,但不是所有光线。它的反射率可能在0.88左右,也就是说,照射到铝箔的88%的光会被反射。落在铝箔上的其他12%的光会被吸收,从而提高铝箔的温度。

现在想象一个完全不反射光的物体。当然,它仍然会发光,但只是由温度导致的发光,而不是由于反射。这个物体的发射率为1,我们称之为“完美黑体”,即它能吸收所有电磁辐射。因此,发射率本质上与反射率相反。

反射率和发射率都取决于光的波长。在可见光谱(波长400-700纳米)中反射率不高的物体,并不意味着它在红外线波长(10微米左右)中也有同样低的反射率。再看看上面这只狗的红外图像。你注意到它在地板上的反光了吗?在可见光谱中,地板的反射率并不高,但在红外线中,地板的反射率却很高。

下面是另一种观察反射表面和发射表面差异的方法。下面是两个铝罐在室温下的红外图像。唯一不同的是,右边的罐子侧面贴有遮蔽胶带,但顶部没贴。胶带阻止了右边的罐子反射红外光,这意味着这两个物体除了发射率之外是完全相同的(你可以看到笔者的手碰到了右边罐子的顶部)。

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图片来源:RHETT ALLAIN

左边的普通铝罐在红外区域的反射率非常高。虽然显示为橙色的部分看起来温度较高,但实际上这并不是罐子本身发出的热量,而是笔者的手接触另一只罐子时发出的热量的红外反射。

笔者把胶带贴在右边的罐子上,就是为了提高它的发射率。因为胶带不会反射红外线,所以你看到的颜色只是基于罐子的温度,而不是来自于其他高温物体,比如笔者的手(因为右侧罐子的最顶端没有贴胶带,所以那部分的反射率仍然很高。这就是为什么你还能看到一个橙色的斑点,这是反射的手的热量)。

这里还有一个现实生活的例子:在炎热的晴天,穿白色衣服好还是黑色衣服好?白衬衫(反射率高)能反射更多的阳光,不会那么热。而黑衣服(发射/辐射率高)则会吸收大部分光线,变得很热。因此,一般情况下最好穿白色衣服——尽管在某些特殊的情况下,黑色衣服实际上可能更凉爽。

太空是冰冷的

您可能已经体验过的一种辐射冷却:在冬天,你可以通过观察天空来判断今晚是否寒冷。在万里无云的夜晚,地面会以红外线的形式辐射能量,这种能量的损失会使地面明显变冷。并不是所有的能量都能损失:大气中的二氧化碳会捕获一些波长的红外线,而这就是温室效应的原理。但有一小部分波长的红外线,即波长在8到13微米之间的红外线,可以穿过大气层进入太空(这个范围被称为“红外窗口”)。

这个判断晚上是否寒冷的办法只有在万里无云的夜晚才有用。因为云层会阻挡红外窗口,能量会被反射回地面。因此,地面会保持温暖。这就像地球披上了由蓬松云层制成的红外毯。

另外,它在白天不起作用。白天确实有热辐射,可以降低一些物体的温度。但是还有一个大热源—太阳。太阳光对物体的加热效果远大于物体向外辐射的冷却效果。因此,所有东西都会变热。

这里我们考虑一个比较特殊的假设:地球上存在一个正在独自冷却的物体。这似乎违反了物理定律,因为除非这个物体让其他东西变热,否则它是不会变冷的。例如,空调通过加热室外空气来冷却室内空气;冰柜里的一罐苏打水温度降低是因为它周围的冰块温度升高并融化了。

因此,当一个物体通过辐射降温时,一定会有其他物体温度升高。这个升温的物体就是太空。发射到太空中的辐射最终可能会抵达月球,使月球温度升高——也可能永远向外传播。

辐射冷却板

在阳光普照的情况下,有可能让物体变得比环境温度更冷吗?当然可以。您可以制作一个辐射冷却板。这是一个在可见光谱中具有高反射率(以防止阳光使其变热)和高红外发射率(尤其是8至13微米波长)的平板。可见光会从物体上反射,从而不会导致物体加热,而红外线辐射则会使物体温度降低。反射的可见光和红外线辐射都会进入太空(也许在某一时刻,它们会辐射到另一颗行星,导致其升温——但这并不是我们需要担心的问题)。

有几种方法可以使辐射冷却板发挥作用。一种非常简单的方法是在反光铝材上使用透明胶带。可见光穿过透明胶带,然后从铝箔上反射(因此铝箔具有高反射率),但透明胶带也能让材料发射红外线(即提高发射率)。这很简单,笔者自己尝试了一下。下面是一张铝箔纸的可见光图像和红外图像,铝箔纸上有一条宽透明胶带和一条细透明胶带。

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图片来源:GETTY IMAGES

请注意,在可见光下,铝箔非常闪亮,你不容易看到贴有胶带的部分。在红外线光谱中,普通的箔片看起来很暗,因为它只反射了天空中的红外线(它的发射率不高)。然而,贴有胶带的部分看起来更热,表明它确实让铝箔辐射出了的热量。这个简单的实验实际上并没有使铝箔变得比空气温度更冷,因为下面热草地的加热效果可能比辐射冷却效果更强——但笔者认为这个实验是有可能成功的。

实际上3M公司生产了一种辐射冷却胶带,它的效果与铝箔加胶带的方法类似(但可能更好)。

另一种方法是使用一种特殊的白色涂料。这种油漆在可见光谱中具有很强的反射率,但在红外线中却具有较高的发射率。有几段很棒的视频展示了它的工作原理和制作方法。这里有一个来自Tech Ingredients的视频。他的方法似乎很有效,但如果没有实验室,你很难制作出来。NightHawkInLight有一种不同版本的辐射涂料,你也许可以在普通厨房里制作。

另一种选择是使用纳米粒子或水凝胶等更复杂的材料。还可以制作反射可见光和辐射红外线的衣服。

辐射冷却还有两个非常酷的应用。你可以利用较冷的辐射冷却板和较热的地面之间的温差,用热电发电机发电(这就像一个在夜间也能工作的太阳能板)。也可以利用辐射冷却产生的温差直接从空气中凝结水,就像塔图因星球(《星球大战》中的沙漠星球)上的湿气蒸发器一样。

最重要的是,所有这些应用都是零电力输入。这就像从太空免费降温。这些方法都不足以取代空调,因为它们只能降温几度。但也多少有点作用,是吧?

作者:RHETT ALLAIN

翻译:七号机

审校:扫地僧

原文链接:How to Cool an Object Without Using Any Energy

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