路漫漫其修远兮分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhpd55 追求科学,勇于探索,苦海无涯,愿作小舟。

博文

热力学的魔力使冷却不消耗能源(附原文)

已有 2107 次阅读 2019-4-22 03:48 |个人分类:新观察|系统分类:论文交流| 珀尔帖元件, 製冷, 熱力學

热力学的魔力使冷却不消耗能源(附原文)

諸平

瑞典苏黎世大学University of Zürich,  Switzerland20194月19日提供的消息,該大學物理系的研究人員通過熱力學魔法,在不消耗能源的情況下進行製冷。在理论上,他們的这个实验装置可以在不消耗任何能量的情况下将沸水变成冰。

苏黎世大学的物理学家们发明了一种极其简单的装置,它可以让热量在没有外部电源的情况下从寒冷的物体暂时流向温暖的物体。有趣的是,这个过程最初似乎与物理学的基本定律相矛盾。根據常識,如果你把一壶开水放在厨房的桌子上,它会逐渐冷却下来。然而,它的温度预计不会低于室内環境温度。正是这种日常经验阐明了物理学的一个基本定律——热力学第二定律——它指出,一个封闭的自然系统的熵必须随着时间的推移而增加。或者,更简单地说:热本身只能从一个较热的物体流向一个较冷的物体,而不是反过来。

冷却到室温以下

苏黎世大学物理系安德烈亚斯·席林教授(Prof. Andreas Schilling)的研究小组最近进行的一项实验,其结果乍一看似乎挑战了热力学第二定律。研究人员在没有外部电源的情况下,成功地将一块9克重的铜从100℃以上冷却到明显低于室温。“理论上,这个实验装置可以把沸水变成冰,而不需要任何能量,”席林说。相關研究與2019419日已經在《科學進展》(Science Advances)雜志網站發表——A. Schilling,  X. Zhang O. Bossen. Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a “thermal inductor”. 19 Apr 2019:
Vol. 5, no. 4, eaat9953. DOI: 10.1126/sciadv.aat9953

Thermodynamic magic enables cooling without energy consumption.pdf

产生振荡的热流

为了达到这个目的,研究人员使用了一种珀尔帖元件(Peltier Element),帕尔帖元件是一种热电部件,该部件可将热量沿规定方向反向“泵送”。虽然熟知该原理的时间并不长,但是现代半导体材质帮助电子制冷(帕尔帖)技术实现了突破。 电子制冷(帕尔帖)技术的优势在于,不仅冷却元件可设计不同大小、位置也独立,而且可 靠性高,还能精确地按需进行调节。此外,电子制冷(帕尔帖)元件不使用活动部件进行工 作,因此原则上无振动、无噪音。相比较传统压缩冷却机的主要优势是,可以避免使用易燃 或有害环境的制冷剂。 然而,电子制冷(帕尔帖)系统的最大功率强度和效率明显低于压缩机系统。另外也必须考 虑标准制冷和冰箱设备较高的能源成本,同时还不得不考虑更强的散热效果。 凭借其特殊的性能,电子制冷(帕尔帖)技术可大范围地应用于特殊应用领域,但由于其经 济性低,并不会威胁到压缩机的市场地位,比如,在家用冰箱设备上;在酒店房间里冷却小酒吧。这些元件能把电流转变成温差。研究人员在之前的实验中已经使用了这种类型的元件,与一个电感器相连接,来产生一种振荡的热流,其中两个物体之间的热流动永远改变方向。在这种情况下,热量也会暂时从较冷的物体流向较热的物体,从而使较冷的物体进一步冷却。这种“热振荡电路”实际上包含一个“热电感器”。它的工作原理与电振荡电路相同,其中电压以一个不断变化的信号振荡。

物理定律保持不变

到目前为止,席林的团队只使用一种能源来操作这些热振荡电路。研究人员现在首次表明,这种热振荡电路也可以“被动”运行,即不需要外部电源。热振荡仍然存在,过了一段时间,热量直接从较冷的铜流向温度为22℃的较热的热槽,而没有暂时转化为另一种形式的能量。尽管如此,作者也能够证明这个过程实际上并不违背任何物理定律。为了证明这一点,他们考虑了整个系统的熵变,并证明它随着时间的推移而增加,完全符合热力学第二定律。

潜在的应用还有很长的路要走

虽然苏黎世大学的席林团队在实验中记录到的与环境温度的差异仅为2℃左右,但这主要是由于所使用的商用珀尔帖元件的性能限制。根据席林介紹, 在相同条件下,如果發明了“理想”珀尔帖元件可以使用,这在理论上可能达到-47°C的冷却。“使用这个非常简单的技术,大量的热固体、液体或气体的材料可能就是冷却到低于室温,而无能源消耗。”

无源热电路也可以经常使用,不需要连接到电源。然而,席林承认,大规模应用这项技术还有很长的路要走。原因之一是目前可用的珀尔帖元件不够高效。此外,电流设置要求使用超导电感器,以尽量减少电损耗。

挑战已經建立的认知

这位UZH的物理学家认为这项工作比单纯的“原理证明”研究更有意义:“乍一看,这些实验似乎是一种热力学魔术,因此在一定程度上挑战了我们对热流动的传统认知。”更多信息請注意瀏覽原文或者相關報道。




https://blog.sciencenet.cn/blog-212210-1174732.html

上一篇:幾張照片
下一篇:中科院居2019SCImago機構排名榜首
收藏 IP: 72.51.164.*| 热度|

1 强涛

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 23:17

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部