橡皮筋伸縮會降溫!中美科學家據此研發「扭熱冰箱」,讓水溫降了 7.7 度

橡皮筋除了可以綁東西,還可以當冰箱的製冷劑!中國南開大學與美國德州大學合作,發現橡膠扭曲之後,如果回復成原樣,溫度就會降下 12.4 度;他們藉此原理打造了一款冰箱,讓水溫降了 7.7 度。他們將研究發表在《Science》期刊上。

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為什麼橡皮筋扭曲之後,回復成原樣時溫度會降低?

彈熱效應:拉伸橡皮筋會產生溫度變化

這個現象稱為彈熱效應。1805 年,英國實驗哲學家 John Gough 首次觀察到這個現象。拉橡皮筋的時候,他碰觸嘴唇時發現,橡皮筋溫度微微上升;但橡皮筋彈回時,則感受到一絲涼意。幾年之後,焦耳(James Joule)證實了這個現象,因此也被命名為 Gough – Joule 效應。

雖然 200 多年前就建立理論基礎,但彈熱效應並沒有被廣泛應用,除了效率低落(卡諾效率只有 32%,遠低於目前冰箱的 60%)之外,要讓溫度明顯降低,必需將材料拉到足夠長度;以橡膠來說,必需拉長到 6 到 7 倍,需要大量的空間,難以打造小型的製冷裝置。

扭曲橡膠的降溫效果,比拉伸的效果還強

南開大學發現,除了拉長橡膠,扭曲橡膠也有降溫的現象,稱為扭熱效應,因此南開大學與德州大學合作,驗證這個現象。他們將橡膠拉長 1 倍之後,對橡膠施加扭力,而橡膠扭曲程度越高,降溫的效應越明顯。此外,扭曲的降溫效果遠超過伸縮的降溫效果,若扭轉到超螺旋狀態,溫度降幅可高達 15.5 度,平均降溫則是 12.4 度;若只是伸縮橡膠,必須拉長到 7 倍,才能得到同樣的效果。

但是橡膠不夠完美。橡膠的傳熱慢,而且容易彈性疲乏,壽命短。因此研究團隊持續探索其他材料的扭熱效果。

研究團隊製作扭熱冰箱,讓水溫降了 7.7 度

團隊發現,聚乙烯等高分子材料,扭曲和釋放扭力的時候會產生晶體的相變,提升溫度變化量。研究團隊選用鎳鈦記憶合金(Ni52.6Ti47.4),打造了「扭熱冰箱」的原型。鎳鈦合金它具有到導熱性佳、硬度高、耐用度高等特性,卡諾效率理論上可達 84%。

這個扭熱冰箱中,研究團隊用了 3 根鎳鈦合金作為製冷裝置。根據測試,該冰箱讓水溫降了 7.7 度。

研究團隊設計的扭熱冰箱原型

冷媒冰箱消耗大量能源,扭熱冰箱有望成為全新製冷方案

目前冰箱、冷氣等製冷設備,都是使用液態冷媒,透過吸收冰箱中的熱量汽化,並藉由壓縮機將熱量排出,周而復始,降低冰箱的溫度,達到冷卻的目的。然而液態冷媒的卡諾效率只有 60%,會消耗大量能源,並釋放大量溫室氣體。因此科學家正在尋找全新的製冷方式。

雖然研究團隊指出,目前扭熱冰箱仍有不少問題要解決,例如製冷材料的導熱性、抗疲乏能力等等,離商業化還有段距離,但扭熱冰箱的確是提供了全新的,有望商業化應用的製冷方案。

參考資料來源:
1.《Science》:〈Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers
2.《PHYS ORG》:〈Research shows that doing the twist is hot, unwinding is cool
3.《環球科學》:〈 用一条橡皮筋,怎样造出一台高效的冰箱?
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Pexels CC Licensed)

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