熱盡其用：冷暖相濟(jì)的龐壓卡效應(yīng)

“熱盡其用”——顧名思義，就是探求可行的方法來(lái)提高熱能的綜合利用效率。

近日，筆者在塑晶材料中發(fā)現(xiàn)，龐壓卡效應(yīng)可用作新型制冷材料。這種材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)零碳制冷，消除制冷領(lǐng)域的環(huán)境危害，還可以實(shí)現(xiàn)余熱的收集和再利用，達(dá)到降低碳排放、提高能源利用率的目的。

Part.1

什么是熱？

熱是一種形式的能量，這種形式的能量可以由溫度來(lái)刻畫(huà)，溫度越高，所蘊(yùn)含的熱能就越多。

熱能看得見(jiàn)、摸得著。如果以長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射的畫(huà)面為例，可以判斷火箭尾端的火焰溫度非常高，因?yàn)樗臒彷椛浜芨撸哉f(shuō)我們通過(guò)它的顏色就可以辨別出它的溫度。同時(shí)，熱也摸得著，如果用手去觸摸熱的東西，會(huì)感到東西發(fā)燙。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射圖

（圖片來(lái)源：人民網(wǎng)）

從微觀角度來(lái)講，熱能反映了組成物質(zhì)的原子或者分子，微觀運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，運(yùn)動(dòng)的劇烈程度越強(qiáng)，材料所蘊(yùn)含的熱能就越多，其溫度就越高。

熱有一個(gè)特點(diǎn)，它和水一樣，總是往低處走，這是由熱力學(xué)第二定律所決定的。熱力學(xué)的奠基人和“熵”的概念創(chuàng)造者克勞修斯曾經(jīng)指出，熱量是自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，它們最終會(huì)在中間的溫度達(dá)到平衡。

熱在我們生活中扮演了不可或缺的重要角色。如果我們的目標(biāo)溫度低于環(huán)境溫度，這就是制冷；如果我們的目標(biāo)溫度高于環(huán)境溫度，那就是制熱。

Part.2

制冷的前世今生

大家可以想象，如果想冷凍一個(gè)東西，我們就得從其中拿出熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷。

在我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期曾經(jīng)就已經(jīng)發(fā)明了一種青銅器——“冰鑒”，這種青銅器里有一個(gè)夾層，這個(gè)夾層是專門(mén)用來(lái)盛放冰的，這是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的最原始的“冰箱”。但從嚴(yán)格意義上講，它并不是一個(gè)冰箱，因?yàn)橐盟紫刃枰斜?，這并不是主動(dòng)制冷。

真正意義上的主動(dòng)制冷是在第一次工業(yè)革命之后，由于蒸汽機(jī)被發(fā)明出來(lái)，人類第一次有了動(dòng)力。利用蒸汽機(jī)動(dòng)力來(lái)制造真空，從而加速像乙醚這樣易揮發(fā)的物質(zhì)的揮發(fā)過(guò)程，利用揮發(fā)吸熱得原理就達(dá)到了制冷的目的。

這是人類第一次可以用主動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)制冷，而我們現(xiàn)代意義上的冰箱則是在1927年才被發(fā)明出來(lái)的！

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

Part.3

制熱——人類發(fā)展史的見(jiàn)證者

相比于制冷，制熱更能反映我們整個(gè)人類的發(fā)展歷史。從遠(yuǎn)古時(shí)期先民鉆木取火開(kāi)始，到第一次工業(yè)革命前后煤炭的大量使用，蒸汽動(dòng)力極大地推動(dòng)了人類的進(jìn)步，再到最近這些年來(lái)，石油、天然氣的大量使用，“制熱”對(duì)于現(xiàn)代生活產(chǎn)生的影響是巨大的。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

在目前熱能利用領(lǐng)域的基本格局中，我們的初級(jí)能源中大概31%的初級(jí)能源被用來(lái)產(chǎn)生熱，而同時(shí)在其他工業(yè)門(mén)類里又有28%的能量以熱能的形式散失掉。熱能生產(chǎn)占據(jù)全社會(huì)總碳排放量的30%左右。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

這就帶來(lái)一個(gè)很有意思的問(wèn)題，叫熱能悖論——如果將能源利用過(guò)程中損失的熱能加以利用，來(lái)彌補(bǔ)熱能生產(chǎn)，不但節(jié)約了能源，也減少了熱能生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。

那么，有沒(méi)有方法實(shí)現(xiàn)這個(gè)奇思妙想呢？

Part.4

何謂龐壓卡效應(yīng)

筆者發(fā)現(xiàn)了龐壓卡效應(yīng)這一新的材料性質(zhì)。說(shuō)到龐壓卡效應(yīng)，就需要先解釋一下什么是塑晶材料。這是一種非常特殊的固體材料，由高速旋轉(zhuǎn)的、無(wú)序的有機(jī)分子組成。

這種材料很軟，**只需要施加一個(gè)很小的壓力，這些有機(jī)分子的高能量狀態(tài)就會(huì)被抑制，材料變成低能量狀態(tài)，從而釋放出大量的熱量。李昺將這種通過(guò)較小壓力誘導(dǎo)出的顯著相變制冷效應(yīng)的現(xiàn)象命名為龐壓卡效應(yīng)。**利用龐壓卡效應(yīng)，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了首個(gè)壓卡制冷樣機(jī)。

龐壓卡制冷技術(shù)跟傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷技術(shù)相比，在整個(gè)制冷過(guò)程中，材料都處于固體狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有任何氣體參與，顯然就不會(huì)有我們所關(guān)心的碳排放和臭氧破壞的問(wèn)題。

在研究制冷技術(shù)的同時(shí)，筆者也在思考如何才能高效回收利用產(chǎn)生的熱能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上文中所提到的奇思妙想。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)塑晶材料中有一類材料在80攝氏度左右開(kāi)始存儲(chǔ)熱量變成塑晶態(tài)，在室溫環(huán)境中，施加約6兆帕的微小壓力（相當(dāng)于我們用手捏一個(gè)物體的力）就可以誘發(fā)塑晶態(tài)向常規(guī)晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，在極短的時(shí)間內(nèi)便可釋放出其所儲(chǔ)存的大量熱量，20秒內(nèi)溫度可以升高48攝氏度。

這就是一個(gè)完整的塑晶材料吸放熱過(guò)程——加熱吸收熱量、冷卻鎖定熱量、加壓釋放熱量。

眾所周知，各種工業(yè)流程和大型數(shù)據(jù)中心都會(huì)消耗大量的能源，與此同時(shí)產(chǎn)生的熱量需要進(jìn)行散熱或者冷卻，這本身就是對(duì)能源的極大浪費(fèi)，也會(huì)帶來(lái)大量的碳排放。

而基于這一類技術(shù)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)流程余熱、大型數(shù)據(jù)中心的余熱、地?zé)豳Y源以及日照資源等熱能的吸收、儲(chǔ)存、和再利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的有序調(diào)控，這對(duì)碳中和乃至于地球環(huán)境保護(hù)的意義是非常巨大的。

出品：科普中國(guó)

作者：李昺（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編輯：孫晨宇

文章僅代表作者觀點(diǎn)，不代表中國(guó)科普博覽立場(chǎng)

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