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本科生科研指南(70):生活观察促进热科学进步 精选

已有 2452 次阅读 2020-12-25 07:00 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得

 

本科生科研指南(70):生活观察促进热科学进步

 

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

 

一切推理都必须从观察与实验中得来。

----伽利略·伽利雷(Galileo Galilei,1564-1642

 

冰和水是生活中常见的两种物质。在烧开水的过程中,我们持续不断地对水进行加热,从而使得水的温度逐步升高。在这个过程中,水所吸收的热量转变为了温度的提升。类似地,我们也可以对冰水混合物进行加热,并使用温度计精确测量此过程中混合物温度的变化。与烧开水不同的是,在加热冰水混合物的过程中,混合物所吸收的热量使得冰发生相变转变为水,故而混合物的温度在冰全部融化之前几乎保持不变,一直维持在零摄氏度左右。基于上述的生活观察,英国化学家、物理学家约瑟夫·布莱克在18世纪提出了“潜热”这一至关重要的热科学概念,并在后续引发了热科学的蓬勃发展和技术进步

 

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图一 冰水混合物

 

在水受热升温的过程中,其所吸收的热量可以通过比热质量所提升的温度三者相乘来进行计算。与此不同的是,在冰被加热的过程中,如果发生相变由冰变为水,其温度并不发生变化,则其所吸收的热量需要用潜热质量相乘进行计算。水因低温而结冰的过程与此类似,只不过在此过程中水会释放出热量,且与冰融化变为水所需要吸收的热量相等。在自然界,上述规律具有一定的普遍性。在研究的过程中,布莱克将上述热量命名为“潜热”,以方便将这些未能够引起物质温度显著变化的潜在热量与其他热量进行区分。

 

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图二 某相变合成材料的潜热示意图

 

潜热的一个重要应用是利用干冰进行人工降雨。干冰是固态的二氧化碳,其在工业领域有着广泛的应用。在一定的情形下,受气象和云层中含水量等条件的限制,部分云层无法进行自然降雨。为了实现缓解农田干旱或增加水库灌溉水量等目的,可以尝试采用人工方法对降雨进行干预。具体而言,根据当地气象条件,采用飞机、火箭等向云中播撒干冰等物质。在进入云层之后,干冰会从周围环境中迅速吸收大量热量而转变为气态,从而为其周围的云创造了较好的低温环境,有利于水滴的凝结。在部分情形下,水滴还会进一步凝结为微小的冰晶,从而使得更多的水蒸气可以在其表面上凝结,最终形成降雨。

 

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图三 飞机人工降雨示意图

 

潜热的另一个重要的应用是建筑领域中的相变微胶囊。因为物质可以通过相变过程较为方便地吸收或者放出大量热量,潜热的有效利用对于建筑的节能尤为重要。为了方便精确控制,可以将相变材料封装在体积较小的微胶囊中从而形成相变微胶囊颗粒。常见的微胶囊壳体的材料包括脲醛树脂等,相变材料一般为石蜡等潜热较高的材料。一方面,微胶囊的使用有效地降低了相变过程中相变材料的损失,另一方面,也可以有效防止相变材料对周围环境产生污染。在使用的过程中,将大量的相变微胶囊较为合理地嵌入到建筑的墙体涂料等中,从而实现对室内温度的有效调控。当白天温度较高时,微胶囊内的相变材料通过相变吸收大量的热量,从而保持室内的凉爽。当夜晚温度较低时,微胶囊内的相变材料可通过相变释放其所存储的热量,从而提升室内的温度。随着上述相变微胶囊的应用,建筑的整体能源消耗将显著下降,有利于节能环保并促进行业健康发展。

 

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图四 相变微胶囊结构示意图

 

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图五 相变微胶囊工作示意图

 

值得一提的是,相变储热材料太阳能热利用的过程中发挥着重要的作用。太阳能属于可再生能源,取之不尽,用之不竭。太阳能热发电是开展太阳能有效利用的重要途径之一,各个国家正在紧锣密鼓地开展相关研究。为了确保太阳能热电站的连续运行并进行较为灵活的参数调节,太阳能热电站通常需要配备规模与其发电机组相适应的储热系统和装置,以确保电站可以在夜晚或者阴天等条件下依然可以稳定运行并输出电力。

 

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图六 相变储热太阳能热水器

 

在较为成熟的商业示范电站的实际运行过程中,一般采用相变材料作为储热介质,以方便最大程度上地吸收存储太阳的能量并进行后续的有序释放和发电。常见的相变储热材料是金属及合金材料,例如铝基的相变储热材料具有较好的储热密度和热稳定性,是一类较为理想的、可适合于大规模太阳能热发电储热的相变材料。另一大类相变储热材料是熔融态的无机盐,包括碳酸盐、硝酸盐等等,以它们的钠盐和钾盐居多。熔融盐储热材料的特点是其所涵盖的温度范围很宽,可较为方便地进行调节和控制。




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2 黄永义 刘家敦

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