物理学家解释热量如何摧毁机器和电子设备
以下文章经授权转载自《The Conversation》，这是一家报道最新研究的在线出版物。不仅人类在打破纪录的热浪中需要保持凉爽，许多机器包括手机、数据中心、汽车和飞机在极端高温中效率也会下降，寿命也会缩短。机器在运行过程中也会产生自身的热量，这会使周围的温度更加炎热。我们是研究机器如何管理热量以及如何有效回收和再利用原本被浪费的热量的工程研究人员。极端高温对机器有几种影响。没有任何机器是完全高效的——所有机器在运行过程中都会遇到一定的内部摩擦。这种摩擦会导致机器散发一些热量，因此外界气温越高，机器本身的温度也会越高。当环境温度超过95华氏度（35摄氏度）时，手机和使用锂离子电池的类似设备的性能会下降，这是为了避免过热并减少对电子元件的损害。使用创新相变流体的冷却设计可以帮助机器保持凉爽，但大多数情况下，热量最终仍会散发到空气中。因此，空气越热，就越难以使机器保持足够的凉爽以高效运行。此外，机器摆放得越密集，周围区域散发的热量也会越多。材料变形 高温，无论是来自天气还是机器释放的多余热量，都可能导致机器材料的变形。为了理解这一点，我们可以从分子层面来看温度。在分子尺度上，温度是衡量分子振动程度的指标。因此，温度越高，构成从空气到地面再到机器材料的一切的分子振动得越剧烈。随着温度升高和分子振动加剧，它们之间的平均距离增大，使大多数材料在受热后膨胀。道路就是一个例子——炎热的混凝土会膨胀、受到限制，最终开裂。这种现象也可能出现在机器上，热应力只是问题的开始。出行延误与安全风险 高温还可能改变汽车发动机中机油的表现，从而导致潜在的发动机故障。例如，如果热浪使温度比正常高出30华氏度（16.7摄氏度），那么典型汽车机油的粘度——也就是其厚薄程度——可能会改变三倍。像机油这样的流体在受热后会变稀，因此如果温度太高，机油可能不够浓稠，无法充分润滑并保护发动机部件，防止磨损。此外，炎热的天气还会使轮胎内的空气膨胀，从而增加轮胎压力，这可能会加剧磨损并增加打滑的风险。飞机也不适合在极端温度下起飞。随着外界温度升高，空气开始膨胀，占据更多的空间，变得稀薄。空气密度的降低会减少飞机在飞行中所能承载的重量，这可能导致显著的出行延误或航班取消。电池退化 总体而言，手机、个人电脑和数据中心等设备中所含的电子元件由多种不同的材料组成，它们对温度变化的反应也各不相同。这些材料紧密地排列在有限的空间中。因此，当温度上升时，不同种类的材料可能会以不同的方式变形，从而可能导致早期磨损和故障。汽车和一般电子设备中的锂离子电池在较高的运行温度下会更快退化。这是因为高温会加快电池内部的反应速度，包括腐蚀反应，这些反应会耗尽电池中的锂。这一过程会削弱其存储容量。最近的研究表明，电动汽车在持续90华氏度（约32.2摄氏度）的天气中行驶时，其续航里程可能会减少大约20%。数据中心是一些装满服务器的建筑，用于存储数据，会散发大量热量以保持其组件的凉爽。在非常炎热的天气中，风扇必须更加努力地工作，以确保芯片不会过热。在某些情况下，强大的风扇也不足以冷却电子设备。为了保持数据中心的凉爽，通常会将室外的干燥空气首先通过湿润的垫子。垫子中的水蒸发到空气中，吸收热量，从而冷却空气。这种被称为蒸发冷却的技术，通常是一种经济且有效的保持芯片在合理运行温度的方法。然而，蒸发冷却可能需要大量水。在水资源稀缺的地区，这个问题尤为突出。冷却用水会增加数据中心本已沉重的资源消耗负担。挣扎的空调 随着外界温度升高，空调的性能会下降——而这正是它们最需要发挥效能的时候。在炎热的日子里，空调压缩机必须更加努力地工作，将房屋内的热量排出室外，这反过来会不成比例地增加电力消耗和整体电力需求。例如，在德克萨斯州，每上升1.8华氏度（1摄氏度），电力需求就会上升约4%。在炎热的国家，夏季的高温会导致电力需求激增50%，带来严重的电力短缺或停电风险，同时还会增加温室气体排放。如何防止热损伤 热浪和全球范围的升温趋势对人类和机器都会带来显著的短期和长期问题。幸运的是，有一些方法可以帮助你减少损害。首先，确保你的机器放置在有空调、良好隔热的空间中，或者避免阳光直射。其次，考虑在用电低峰时段使用高耗能设备，如空调或为电动汽车充电，这样可以减少电力需求高峰，避免局部电力短缺。热量的再利用 科学家和工程师们正在研究各种方法，以利用和回收来自机器的大量热量。一个简单的例子是利用数据中心的废热来加热水。废热还可以驱动其他类型的空调系统，例如吸收式制冷机，这种系统可以通过一系列化学反应和热交换过程，实际上利用热量作为能量来支持冷却设备。无论哪种情况，用于加热或冷却的能量都来自于原本被浪费的热量。事实上，理论上电厂排放的废热可以满足住宅空调需求的27%，这将减少整体能源消耗和碳排放。极端高温可能影响现代生活的各个方面，而热浪在未来几年不会消失。然而，我们也有机会利用极端高温，使其为我们服务。本文最初发表于《The Conversation》。阅读原文。
查看全文
作者最近更新
-
我们进化的历史可以教会我们人工智能的未来scientific
2023-11-11 -
“ChatGPT检测器”以前所未有的准确率识别人工智能生成的论文scientific2023-11-11
-
人工智能需要规则，但谁将拥有制定规则的权力？scientific2023-11-07
评论0条评论