2

橡皮筋的彈性致冷

生活科學趣談

上一篇《磁冰箱》提及「熱電效應」與「磁熱效應」均可應用於致冷技術,今天來聊聊另一種「熱彈效應」也有類似的效果。這個實驗很容易做,只要找一條粗橡皮筋(使用做頑皮豹的 260造型氣球 效果會更明顯),即可在這炎炎夏日讓額頭暫時涼快一些^^

相對於磁冰箱的四個循環過程(絕熱磁化、等溫熱傳導、絕熱去磁、等溫熱傳導),把彈性材料經由拉伸與鬆弛時,我認為也是進行類似的四個過程:
1. 絕熱拉伸:快速拉伸近似絕熱過程,施力作正功等於彈力位能的增加量,由於橡膠高分子鏈會沿著施力方向規則排列,造成材料的 構型 熵減少。由於絕熱是沒有熱量進出的環境,而且總熵也不變,因此減少的構型熵就轉變為熱熵,表現出來的宏觀現象就是溫度的上升。
2. 等溫熱傳導:施力保持不變,把彈性材料所升高溫度的熱量經由物體(ex.室溫下的金屬)帶走。待溫度與環境溫度恢復平衡後,把彈性材料移開物體。
3. 絕熱鬆弛:在絕熱條件下將施力的拉伸作用快速移除,使彈性材料收縮回至鬆弛的狀態,施力作負功等於彈力位能的減少量。由於鬆弛造成高分子鏈的排列方向變成混亂無序,並導致構型數的增加(構型熵增加),故熱熵變為構型熵(構型無序狀態),因而造成材料的溫度降低。
4. 等溫熱傳導:把冷卻後的彈性材料和需要冷卻的物體(ex.額頭)接觸,由於此時物體的溫度比彈性材料高,故材料能吸收所接觸物體的熱,從而使物體的溫度降低。

因此在施力後的高溫若能藉由散熱系統來排熱,然後再將構型恢復為散亂無序狀態,就可以導致彈性材料的冷卻來獲得低溫 。反覆施力和除去外力時,藉由高分子鏈的規則排列和隨機散亂的變化,就可以藉由熱傳導將熱能從低溫區抽出,然後送到高溫區去排放,這種循環過程就是橡皮筋彈性致冷的機制

既然橡皮筋能夠讓額頭暫時涼快一些,為什麼沒有人拿彈性材料來製作冰箱呢?譬如使用這種健身用的橡皮筋,藉由馬達與拉伸、鬆弛等零組件,設計出能讓上方的橡皮繃緊而下方鬆弛來滾動轉圈,這樣不就能持續從下方抽取熱量而送到上方去排熱了?

rubber-band1

如同USB迷你冰箱可有冷熱的選擇,這種橡皮筋既然能從冷端汲取熱量送至上方熱端,那麼若把它當暖氣使用時,理論上這可是效能比電暖爐更高的熱泵呢!→《葉片式電暖器耗電量 比冷暖空調多3倍》。有興趣的同學不妨在老師的指導下來進行相關的探索,說不定就能做出一篇精彩的科展研究報告。

後記:有學生曾說「這招讓額頭變涼雖然簡易可行,但卻會讓身體發熱啊?」,當初我是這麼回答「正確!不過,CPU的散熱遠比其他零組件來得重要,因為CPU溫度太高是會當機的」^^