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“熱盡其用”——顧名思義，就是探求可行的方法來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)，龐壓卡效應可用作新型制冷材料。這種材料，不僅可以實現(xiàn)零碳制冷，消除制冷領域的環(huán)境危害，還可以實現(xiàn)余熱的收集和再利用，達到降低碳排放、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刻畫，溫度越高，所蘊含的熱能就越多。

熱能看得見、摸得著。如果以長征五號火箭發(fā)射的畫面為例，可以判斷火箭尾端的火焰溫度非常高，因為它的熱輻射很高，所以說我們通過它的顏色就可以辨別出它的溫度。同時，熱也摸得著，如果用手去觸摸熱的東西，會感到東西發(fā)燙。

長征五號火箭發(fā)射圖

（圖片來源：人民網(wǎng)）

從微觀角度來講，熱能反映了組成物質的原子或者分子，微觀運動的劇烈程度，運動的劇烈程度越強，材料所蘊含的熱能就越多，其溫度就越高。

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

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

Part.2

制冷的前世今生

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

在我國戰(zhàn)國時期曾經就已經發(fā)明了一種青銅器——“冰鑒”，這種青銅器里有一個夾層，這個夾層是專門用來盛放冰的，這是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的最原始的“冰箱”。但從嚴格意義上講，它并不是一個冰箱，因為要用它首先需要有冰，這并不是主動制冷。

真正意義上的主動制冷是在第一次工業(yè)革命之后，由于蒸汽機被發(fā)明出來，人類第一次有了動力。利用蒸汽機動力來制造真空，從而加速像乙醚這樣易揮發(fā)的物質的揮發(fā)過程，利用揮發(fā)吸熱得原理就達到了制冷的目的。

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

（圖片來源：Veer圖庫）

Part.3

制熱——人類發(fā)展史的見證者

相比于制冷，制熱更能反映我們整個人類的發(fā)展歷史。從遠古時期先民鉆木取火開始，到第一次工業(yè)革命前后煤炭的大量使用，蒸汽動力極大地推動了人類的進步，再到最近這些年來，石油、天然氣的大量使用，“制熱”對于現(xiàn)代生活產生的影響是巨大的。

（圖片來源：Veer圖庫）

在目前熱能利用領域的基本格局中，我們的初級能源中大概31%的初級能源被用來產生熱，而同時在其他工業(yè)門類里又有28%的能量以熱能的形式散失掉。熱能生產占據(jù)全社會總碳排放量的30%左右。

（圖片來源：Veer圖庫）

這就帶來一個很有意思的問題，叫熱能悖論——如果將能源利用過程中損失的熱能加以利用，來彌補熱能生產，不但節(jié)約了能源，也減少了熱能生產過程中產生的碳排放。

那么，有沒有方法實現(xiàn)這個奇思妙想呢？

Part.4

何謂龐壓卡效應

筆者發(fā)現(xiàn)了龐壓卡效應這一新的材料性質。說到龐壓卡效應，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，由高速旋轉的、無序的有機分子組成。

這種材料很軟，**只需要施加一個很小的壓力，這些有機分子的高能量狀態(tài)就會被抑制，材料變成低能量狀態(tài)，從而釋放出大量的熱量。李昺將這種通過較小壓力誘導出的顯著相變制冷效應的現(xiàn)象命名為龐壓卡效應。**利用龐壓卡效應，筆者帶領團隊設計了首個壓卡制冷樣機。

龐壓卡制冷技術跟傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷技術相比，在整個制冷過程中，材料都處于固體狀態(tài)，這個過程中沒有任何氣體參與，顯然就不會有我們所關心的碳排放和臭氧破壞的問題。

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

通過實驗，筆者發(fā)現(xiàn)塑晶材料中有一類材料在80攝氏度左右開始存儲熱量變成塑晶態(tài)，在室溫環(huán)境中，施加約6兆帕的微小壓力（相當于我們用手捏一個物體的力）就可以誘發(fā)塑晶態(tài)向常規(guī)晶體狀態(tài)轉變，在極短的時間內便可釋放出其所儲存的大量熱量，20秒內溫度可以升高48攝氏度。

這就是一個完整的塑晶材料吸放熱過程——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)中心都會消耗大量的能源，與此同時產生的熱量需要進行散熱或者冷卻，這本身就是對能源的極大浪費，也會帶來大量的碳排放。

而基于這一類技術，如果能夠實現(xiàn)對工業(yè)流程余熱、大型數(shù)據(jù)中心的余熱、地熱資源以及日照資源等熱能的吸收、儲存、和再利用，進而實現(xiàn)對熱能的有序調控，這對碳中和乃至于地球環(huán)境保護的意義是非常巨大的。

出品：科普中國

作者：李昺（中國科學院金屬研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

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