Как охладить объект, не используя никакой энергии

Ретт Аллен

Это лето выдалось жарким – одним из самых жарких за всю историю наблюдений – и, вероятно, будет становиться еще жарче. Я чувствую, что мы приближаемся к тому моменту, когда кондиционирование воздуха станет не просто приятной вещью, а необходимостью. Есть несколько способов охладить вещи, но наиболее распространенным методом является использование компрессора и хладагента. Однако эти традиционные блоки переменного тока сложно (и дорого) ремонтировать, и они потребляют довольно много электроэнергии. В 2022 году в США 10 процентов энергопотребления страны было потрачено на охлаждение воздуха. Это много.

Нам действительно нужно подумать об альтернативных способах снижения тепла. Есть еще один способ снизить температуру объекта, и он даже не требует энергии или топлива. Это называется радиационное охлаждение. Используя правильные материалы, вы можете заставить объект излучать больше энергии, чем поглощать, что снизит его температуру на несколько градусов. Это кажется слишком хорошим, чтобы быть правдой, но это работает благодаря некоторым очень крутым физическим идеям.

Все излучает свет, а это значит, что все может передавать тепловую энергию. Это может показаться странным, но давайте начнем с лампочек. Есть несколько способов заставить объект излучать свет, но самый простой способ — просто сильно нагреть его. Вот что происходит с традиционными лампами накаливания: электрический ток проходит через нить внутри лампы и нагревает нить до такой степени, что она светится. (Эта температура составляет около 3600 градусов по Фаренгейту.) Это просто, поэтому лампы такого типа существуют уже более 100 лет.

А как насчет не очень горячих вещей, например, картофеля, вашей любимой пары обуви или дверной ручки? Да, они также производят определенный тип света.

Помните, что свет — это электромагнитная волна, и все эти волны распространяются со скоростью света (3 х 108 м/с), но имеют разные длины волн. Если длина волны этой электромагнитной волны составляет от 400 до 700 нанометров, то мы называем это видимым светом, и его можно обнаружить человеческими глазами. Этот картофель (при комнатной температуре) излучает электромагнитные волны с максимальной интенсивностью 9,8 микрометра. Мы называем эту область электромагнитного спектра инфракрасным светом. Глазами его не обнаружить, но мы можем создать изображение с помощью инфракрасной камеры.

Вот пример моей собаки. Поскольку он немного теплее, чем его окружение, он излучает свет с немного разными длинами волн. Это означает, что на инфракрасном изображении он не просто сливается с фоном.

Энди Гринберг

Нгофин Мпутубвеле

Джулиан Чоккатту

Мэтт Саймон

Существует три способа теплового взаимодействия объектов с другими объектами. Самый распространенный метод – через теплопроводность. Это происходит, когда два объекта с разной температурой соприкасаются, и тепловая энергия передается от более теплого объекта к более холодному — например, когда вы держите в руке банку с холодной газировкой. Банка нагревается, а рука остывает.

Следующий метод теплопередачи — конвекция, работает только с газами и жидкостями. В качестве примера возьмем воздух. Предположим, у вас есть источник тепла, например плита. Температура воздуха возле горелки печи повысится за счет теплопроводности. Этот более горячий воздух теперь будет иметь меньшую плотность, чем более холодный воздух над ним. Он поднимется, и его место займет более холодный воздух. Тогда горячий воздух может иметь еще одно теплопроводное взаимодействие с материалами над ним, например, с потолком. Косвенная передача тепла от печи к потолку – конвекция.

Третий тип теплового взаимодействия — это излучение, и именно оно нам действительно нужно. Когда горячий объект излучает инфракрасное излучение, это излучение может поглощаться другими объектами. Ваша духовка работает именно так. Вы кладете внутрь продукты, которые хотите приготовить, и нагревательные элементы сильно нагреваются, создавая тепловое излучение. (Да, это то же самое, что и инфракрасное излучение.) Еда поглощает его и нагревается.