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…)
●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。
●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。
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。
