違反熱力學第二定律?烈日下水結成冰

■熱力學第二定律告訴我們熱總是從高溫流向低溫,因此在高溫環境中水不可能變成冰。科學家仔細檢驗熱輻射特性,透過奈米科技,設計出了具有特殊輻射頻譜的材料,使物品能在大太陽下仍能持續降溫。

撰文|陳奕廷

熱力學第一定律告訴我們能量總是守恆的。如果手上的冰塊吸收熱量融化了,周圍環境必定失去了一樣的能量。但是某些事件,儘管滿足能量守恆,還是不可能發生。例如:捧著水,用手向水吸熱使其變成冰塊。為了解釋這種滿足第一定律卻不可能發生的事,物理家引入了熱力學第二定律:熱量只能自發地從高溫處向低溫處轉移。手溫比冰塊還要熱,所以只能向冰塊放熱,不能吸熱。這個定律限制熱量的移動方式,也無情地阻擋了許多浪漫的夢想:例如:永動機、效率百分之百的引擎等。

●所以根據熱力學第二定律,不可能在室溫下讓水自發結冰嗎?

答案是未必。詳細回答問題前,我們來看一下可能的降溫管道。物質間熱交換的方式有三種:傳導、對流和輻射。傳導和對流為接觸式熱交換,只要接觸物溫度高於自己就會吸熱,反之放熱。透過這兩種方式頂多降到室溫。而熱輻射透過紅外線和外界進行交換,變化就多了一些(圖一):首先,無論是高溫或低溫的物品,都會釋放熱量。放熱的效率和溫度正相關。第二,不同物品有不同的吸放熱效率,但吸熱和放熱效率總是相等。黑色容易吸熱也容易放熱,白色則完全相反。

在此短暫離題一下。夏天在戶外接受太陽直射,應該穿白色衣服減少吸熱。但在室內氣溫也許比體溫低,所以應該穿著黑色增加放熱。只考慮熱輻射的情況下,我們能推論出最佳穿搭為白色外套配上黑色上衣。(當然穿外套降低熱對流會很熱…)

 

圖一、任何物體都會放熱,但是溫度相對低的物體吸熱比放熱快,所以不違反熱力學第二定律。圖中箭頭大小代表熱量傳輸量。

●關鍵要素:大氣層的吸收頻譜

除了上述兩個熱輻射的特性,要讓水自然結冰,我們還需要第三要素——大氣層的吸放熱光譜。通常我們說的氣溫,指的是空氣的溫度,也就是說熱輻射實際進行熱交換的對象是大氣層。大氣層的光譜有一個有趣的特性,在一般常見的紅外光波長下,大氣是不透光的,會吸收或反射來自地面的熱輻射,這是溫室效應的來源。但是在特定的波長8-13微米,大氣是透明的,地面的熱輻射可以穿透大氣層,直達宇宙。

大氣溫度通常為攝氏20度左右(絕對溫度約300K),而宇宙溫度僅有絕對溫度3K左右。在一般的波長下,環境溫度較高,所以熱輻射以吸收為主,低溫物品會不斷被加熱到大氣溫度。但是在特殊波長下(8-13微米),儘管大氣溫度不變,但大氣和輻射不進行交互作用,低溫物品直接和宇宙進行熱交換。由於宇宙的溫度非常低,物品能透過這個波段不斷地向宇宙是是釋放輻射熱量。

在一般的情況下,物品雖然能透過特殊波段降溫,這個波段非常窄,熱輻射仍被一般波段給主宰並持續吸熱。科學家透過奈米科技製作了一種降溫材料,能夠改變不同波長吸放熱的效率。在一般的波長,這個材料像一件理想的白色衣服,不吸熱也不放熱。在特殊波段下,這個材料像一件理想的黑色衣服,能夠有效吸熱也能有效的放熱(圖二)。在以吸熱為主的波段減少吸放熱,以放熱為主的波段增加吸放熱。透過這樣的原理,不違反熱力第二定律,在烈日下也能持續降溫。在一天24小時任何時間,都能將溫度維持在比氣溫低約40度以下。在平均氣溫為20度的地區,它能降溫至約零下20度,能將水自然結成冰。

 

圖二、在不同波長下,材料有不同的吸放熱效率。在能放熱的波段它增加熱輻射;在只能吸熱的波段它關閉熱輻射。如此一來,在大白天也能持續降溫。

●如何做出降溫材料

降溫材料是以矽為基礎的多層奈米薄膜所構成,其結構如圖三(a)所示。在圖三(b)中,材料的吸放熱效率幾乎和大氣層的透射率完美對齊(8-13微米)。科學家指出,多層薄膜中以Si3N4最為關鍵,其厚度影響吸放熱效率甚大。

另外,值得一提的,這個方法利用材料不同波段吸放熱的差異達到高效率降溫,不需要插電、裝電池或任何驅動,屬於被動式降溫。被動式降溫通常效率不高,相同條件下一般裝置最多僅能降低約20度。在白天,甚至只有5度左右的溫降。這個新穎材料能達到40度的溫降,遠遠打破了世界紀錄。

圖三、(a)降溫材料的結構 (b)大氣層的穿透率(灰色)、降溫材料的吸放熱效率(藍色)隨波長的變化。(來源:參考資料)

 

參考資料:

Zhen Chen, Linxiao Zhu, Aaswath Raman & Shanhui Fan Radiative cooling to deep sub-freezing temperatures through a 24-h day–night cycle Nature Communications 7, 13729 (2016)

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作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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