如何不使用任何能量冷却物体?

作者: RHETT ALLAIN

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-11-28 12:04:16

本文探讨了在不使用任何能量的情况下如何通过辐射冷却降低物体温度,介绍了辐射冷却的原理及其应用,并讨论了反射率和发射率在辐射冷却中的作用。

今年夏天是有记录以来的最热的夏天之一,而且可能会越来越热。笔者认为如今的空调已经不仅仅是生活好物,而成为了必需品。空调降温的方法有很多,最常见的方法是使用压缩机和制冷剂。然而,这种传统的空调设备维修困难(而且贵),耗电量也相当大。2022年,美国有10%的能源用于冷却空气,这可不是一个小数字。我们确实有必要考虑其他降温的方法。有一种降低物体温度甚至不需要能量或燃料——那就是辐射冷却。

通过使用合适的材料,你可以让物体辐射的能量多于它吸收的能量,从而将温度降低几度。这听起来像是在说大话,但它确实是真的,而这要归功于一些非常酷的物理学理念。万物都能发光,这意味着万物都能传递热能。听起来可能很奇怪,但别着急,让我们先从灯泡开始思考。现在已有几种方法可以让物体发光,其中最简单的方法就是让它变得超级热。

这就是传统白炽灯泡发光的原理:电流通过灯泡内的灯丝,使灯丝发热发光(这个温度约为3,600华氏度,即1,982摄氏度)。因为其原理很简单所以这种灯泡已经存在100多年了。但是,对于那些温度不是很高的东西呢,比如土豆,你最喜欢的一双鞋,或是门把手?答案是肯定的,它们也会产生一种光。别忘了,光是一种电磁波,所有的电磁波都以光速(3 x 108 m/s)传播,但波长是不同的。

当电磁波的波长在400纳米到700纳米之间时,我们就称之为可见光,人眼就可以探测到它。土豆(在室温下)产生的电磁波的最大强度为9.8微米,我们称这一电磁波谱区域的电磁波为红外光。人们无法用眼睛探测到它,但可以用红外摄像机生成图像。以笔者的狗子为例。由于它的体温比周围的环境稍高,因此产生的光波长也略有不同。这意味着在红外图像中,它会凸显出来而不会混入背景中。物体之间有三种传热方式。

最常见的方式是热传导。当两个温度不同的物体接触时,热量就会从温度较高的物体传递到温度较低的物体。比如你用手握着一罐冰苏打水,罐子会变热,而你的手会变凉。第二种传热方式是对流,这种方

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