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天之道,其犹张弓乎?高者抑之,下者举之;有余者损之,不足者益之。
这几天,总是看到那条关于“降温薄膜”的新闻:厉害了,一张薄膜能将室温狂降17℃!这个工作是今年二月份发表在Science上的,当时就有好些相关的新闻宣传,不知道为什么这几天又热起来了。
在太阳当头的正午时分,把一张特殊设计的塑料薄膜蒙在物体上,可以让物体温度下降。通过加热物体使之与周围气温相等,可以得到这片塑料薄膜的散射功率为100W每平方米。由此推论,如果把这种薄膜当作房子的屋顶,就可以在户外温度为37℃的时候、让室温达到20℃。这就是“室温狂降17℃”的来历——当然这只是个推论,并没有真的做到。Science文章里只是测量了散热功率,还给了一个让水降温的实验:在夜里,蒙有这种特殊薄膜的一盆水(大约2厘米深),温度从气温的15℃降低到了5℃。并没有一间屋子什么的。
很多人觉得这种“降温塑料”很神奇,甚至怀疑有什么猫腻,其实是因为没有抓住其中的诀窍,被半通不通的科学新闻给忽悠了。实际上,这件事就是个简单的传热问题,只要用中学物理就可以定性地搞明白,如果一定要定量的话,也不超过大学普通物理的范围。下面就简单地讲一讲吧。
我们都知道,热量会从高温物体向低温物体转移,直到二者的温度相等。我们还知道,热量的转移有三种方式,传导、对流和辐射。简单地说,就是这样的:如果高温端和低温端之间是固体,或者虽然是液体气体、但保持静止并不流动,那么热转移的方式就是传导,传递能量的其实是能移动的电子、固体原子的集体运动即“声子”、或者气体液体中原子的扩散;如果高温端和低温端之间是液体或气体,而且这些流体并不静止、而是有着宏观的运动,那么热转移的方式就是对流,能量高的(热的)原子跑到冷端,能量低的(冷的)原子跑到热端,这种方式的热转移效率比较高;如果高温端和低温端之间啥也没有,热转移就是通过发射光子,所以叫作辐射,这种光子可以是可见光、红外光或者其他电磁波,具体形式依赖于物体的温度。
再说一遍,热量的转移就这么三种方式:传导、对流和辐射。如果你想保温,就要尽可能地切断这些途径;如果你想散热,就要尽可能地增强它们。
暖水瓶就是一个很好的例子:瓶胆由双层镀银玻璃做成,能把红外线反射回去,从而降低了热辐射;两层玻璃之间抽成真空,就没有了对流;瓶盖是不容易传热的软木塞,尽可能降低热的传导。挡住了传热的三条途径,热就可以长久地保留下来——不仅可以放热水,还可以装冰棍。
夏天中午的房子是另一个例子:屋顶挡住了太阳光(降低热辐射);墙壁和门窗挡住了气体的对流;墙壁和屋顶降低了热传导——所以你不喜欢铁皮屋子!
可是,你马上就会问,这不能散热啊!散热是怎么做到的呢?很简单,因为这时候我们需要考虑的不是太阳和屋子这两个物体,还有第三个物体,温度特别低的物体——辽阔的太空。
先用些简单的例子来说明吧。
我们都知道,白天热、晚上冷,白天热是因为白天有太阳晒,晚上冷是为什么呢?因为地面的热量发送到太空里去了,温度就降下来了。所以,太阳、地球、还有太空,这是个三体问题:-)
地球上面有个大气层,问题就比较复杂。更简单的是月亮。月球朝着太阳的一面,最高温度可以达到100多度,背对太阳的一面,最低温度可以低到零下100多度。温度不能再高和再低了,因为任何材料都有热容量,还因为月球在转动。
现在就可以讨论房子的问题了。房子既吸收来自于太阳(还有周围空气)的热量,也向外太空发送热量,这两者达到平衡的时候,温度就不变了,否则就会升温或者降温。太阳的温度和房子的温度是有巨大差别的,所以它们发射的光的波长也有显著不同,太阳光谱主要在1微米附近,而室温材料的光谱大约在10微米左右。一般的材料,发射和吸收的本领是相似的,但是,如果你能做出一种特殊的材料,使得它们对1微米的光是高反射,而对于10微米的光是高发射,就可以做到正午时分也降温了:太阳光都被反射走了,室内的红外光还可以发射到太空去,温度当然就比室外低了——外面有太阳晒,而里面没有太阳晒,就是这么简单。
Science这个工作的主要内容就是做了这么一种材料:把许多直径在8微米左右的小玻璃珠子随机地镶嵌在透明塑料中,这就保证了对10微米的高发射(他们有理论和实验证据的,我这里就不多说了)。可见光部分的高反射怎么实现呢?如果在塑料薄膜背面镀一层银膜,当然可以保证高反射,但是这只是个“如果”——高反射率的银膜实际上是蒸镀在硅片上的,然后再贴上降温塑料薄膜。由此可以知道,降温薄膜每平米五十美分的价格,其实是不包括高反射率银膜的。
好了,就是这么简单的道理。但是,这种降温薄膜是不是真的能够做到“一张薄膜能将室温狂降17℃”呢?其实还是有很多困难的——即使真的能把高反射率银膜蒸镀到塑料薄膜上,恐怕也还是有很多困难。
首先,这要求你的屋子没有房顶,否则,降温的效果已经被房顶做了个七八成了——夏天里你一定进过空旷的大房子吧?里面的温度是不是比外面低个十度八度的呢?
其次,辐射只是热转移的一个途径,传导和对流可能会占据更加重要的地位。在这件工作里,他们选用了无风晴朗的天气来做实验,选择加热板子来测量散热功率而不是直接让物体降温,就是为了减少传导和对流这两个因素的影响。在夜里做把水降温的实验时,也不得不在降温薄膜和外界空气之间在放上一层塑料薄膜,从而在二者之间形成了一个空气绝热层。
第三,100W每平方米的降温功率听起来很大,其实是很小的一个数值。随便举个例子吧:人的基础代谢大概是每天1500大卡,也就是说,一个人躺在那里一动不动,消耗的功率大约就是100W,而人的表面积也大约是1平方米。但是你要知道,一个人站着的时候,朝着天空的面积只有0.05平方米左右。也许这个例子不够明显,那就再举个例子吧:一个手机的面积大概是0.01平方米,贴上降温薄膜得到的最大散热功率大约只有1W,这点功率够干啥呢?
实际上,都用不着说这些困难。
你可能已经看出来了,如果真的蒸镀了高反射率银膜的话,这种降温塑料薄膜就是一面镜子!一面薄薄的、软软的高反射镜!别吃惊,确实如此,如果你把自己家房顶拆了,再严丝合缝地放上一面大镜子,效果也是一样的!不好的地方就是:镜子容易碎,碎了的镜子会伤人的;50微米厚的薄膜虽然容易破,但是它不会碎啊,破了也伤不了人的。
至于说什么“把它包在电脑、手机上,就不会过热了”,这就更不靠谱了。原因很简单,这种降温机制要求被降温的物体必须直面冷酷的人生,对不起,应该是直面浩瀚的太空,因为那里的温度低,但是电脑和手机面对的是热乎乎的天花板、或者是你那红光满面的笑脸,它不升温就不错了,降的是哪门子温啊?
科学新闻要尊重原文
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1070947.html
PS:既然讲了传热,那就再把以前关于制冷的几篇文章也贴出来吧。
谈谈蒸发制冷
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-964814.html
激光制冷液体?还是先去吃根冰棍吧
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-941625.html
激光制冷
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-798369.html
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