【科技新知】科學家研究出橡皮筋扭熱冰箱

張貼者：Allan

閱讀人數：3912人 張貼日期：2019-10-18 16:24:58
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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。


為什麼橡皮筋扭曲之後，回復成原樣時溫度會降低？


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。

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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。

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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