2024-06-06 11:24

物理学家解释热如何杀死机器和电子设备

下面这篇文章是经过The Conversation(一个报道最新研究的在线出版物)的许可转载的。

不仅人们需要保持凉爽,尤其是在一个破纪录的热浪的夏天。包括手机、数据中心、汽车和飞机在内的许多机器在极端高温下效率会降低,而且退化得更快。机器也会产生自己的热量,这会使周围的高温变得更热。

我们是工程研究人员,研究机器如何管理热量,以及如何有效地回收和再利用被浪费的热量。极端高温对机器的影响有几种方式。

没有一台机器是完全高效的——所有机器在运行过程中都会遇到一些内耗。这种摩擦使机器散发一些热量,所以外面越热,机器就会越热。

使用锂离子电池的手机和类似设备在95华氏度(35摄氏度)以上的气候下也会停止工作——这是为了避免过热和增加电子设备的压力。

使用创新的相变流体的冷却设计可以帮助机器保持凉爽,但在大多数情况下,热量最终仍然散发到空气中。所以,空气越热,就越难保持机器足够的凉爽以有效运行。

另外,机器之间的距离越近,周围区域散发的热量就越多。

变形材料

较高的温度,无论是来自天气还是来自机械辐射的多余热量,都可能导致机械中的材料变形。为了理解这一点,考虑一下温度在分子水平上的含义。

在分子尺度上,温度是分子振动程度的量度。因此,温度越高,构成从空气到地面再到机械材料的所有物质的分子就振动得越多。

随着温度的升高和分子振动的增加,它们之间的平均间距也会增大,导致大多数材料在受热时膨胀。道路是一个可以看到这一点的地方——热混凝土膨胀,收缩,最终开裂。这种现象也可能发生在机械上,而热应力只是问题的开始。

旅行延误和安全风险

高温还会改变汽车发动机机油的运行方式,导致潜在的发动机故障。例如,如果热浪使温度比正常温度高30华氏度(16.7摄氏度),那么典型汽车发动机油的粘度或厚度就会发生三倍的变化。

像发动机油这样的液体在加热时会变薄,所以如果太热,机油可能不够厚,无法正常润滑和保护发动机部件免受磨损。

此外,炎热的天气会导致轮胎内的空气膨胀,增加轮胎压力,这可能会增加磨损和打滑的风险。

飞机也不适合在极端温度下起飞。随着外部温度的升高,空气开始膨胀,占据比以前更多的空间,使其变得更薄或密度更低。空气密度的降低降低了飞机在飞行过程中所能承受的重量,这可能导致严重的旅行延误或航班取消。

电池退化

一般来说,手机、个人电脑和数据中心等设备中的电子设备由多种材料组成,这些材料对温度变化的反应各不相同。这些材料都被放置在紧密的空间中彼此相邻。因此,随着温度的升高,不同种类的材料变形不同,可能导致过早磨损和失效。

汽车和一般电子产品中的锂离子电池在较高的工作温度下会更快地退化。这是因为较高的温度会增加电池内的反应速率,包括腐蚀反应,从而耗尽电池中的锂。这个过程消耗了它的存储容量。最近的研究表明,当暴露在持续华氏90度的天气下时,电动汽车可能会损失约20%的续航里程。

数据中心是充满存储数据的服务器的建筑物,它会散发大量的热量来保持其组件的凉爽。在非常炎热的天气里,风扇必须更加努力地工作,以确保芯片不会过热。在某些情况下,强大的风扇不足以冷却电子设备。

为了保持中心的凉爽,从外部进入的干燥空气通常首先通过一个潮湿的垫。垫中的水蒸发到空气中并吸收热量,从而冷却空气。这种技术被称为蒸发冷却,通常是一种经济有效的方法,可以将芯片保持在合理的工作温度。

然而,蒸发冷却可能需要大量的水。这个问题在缺水的地区很成问题。用于冷却的水会增加与数据中心相关的本已紧张的资源足迹。

苦苦挣扎的空调

空调在最需要空调的时候,却因为外面越来越热而难以有效运行。在炎热的天气里,空调压缩机不得不更加努力地将室内的热量输送到室外,这反过来又不成比例地增加了用电量和整体电力需求。

例如,在德克萨斯州,每增加1.8华氏度(1摄氏度),电力需求就会增加约4%。

在炎热的家,高温导致夏季电力需求增加了惊人的50%,造成了电力短缺或停电的严重威胁,加上温室气体排放增加。

如何防止热损伤

全球范围内的热浪和变暖给人类和机器带来了重大的短期和长期问题。幸运的是,你可以做一些事情来减少伤害。

首先,确保你的机器放在一个有空调、绝缘良好的地方,或者避免阳光直射。

其次,考虑使用高能耗设备,比如空调,或者在用电较少的非高峰时段给电动汽车充电。这有助于避免当地的电力短缺。

重用热

科学家和工程师正在开发利用和回收机器散发的大量热量的方法。一个简单的例子是利用数据中心的废热来加热水。

余热还可以驱动其他类型的空调系统,比如吸收式制冷机,它实际上可以利用热量作为能量,通过一系列的化学和传热过程来支持冷却器。

无论哪种情况,加热或冷却物体所需的能量都来自于被浪费掉的热量。事实上,发电厂的废热可以满足27%的住宅空调需求,这将减少总体能源消耗和碳排放。

极端高温会影响现代生活的方方面面,热浪在未来几年不会消失。然而,我们有机会利用极端高温,让它为我们服务。

本文最初发表于The Conversation网站。阅读原文。