固体制冷剂, 冰箱新潮流

固体制冷剂, 冰箱新潮流
2019年11月10日 07:00 新浪网 作者 大科技

传统冰箱遇瓶颈

冰箱现在是每家每户最常见的家用电器之一,而在20世纪80年代的中国,电冰箱还是象征生活富裕的“四大件”之一,可见冰箱在我们的日常生活中是非常重要的,但就像汽车一样,冰箱在带给人们方便的同时,它们对环境的影响也不可忽略。

固体制冷剂, 冰箱新潮流

传统冰箱的工作原理叫做蒸汽压缩,冰箱管道里的制冷剂液体吸收储存的食物产生的热量,变成气体,气体进入冰箱内的压缩机放热降温成为液体,然后再次进入管道中给食物降温,这样循环反复保持着冰箱内部的低温。可是制冷剂气体对环境产生的负面影响也不容忽视,这些气体严重破坏了地球的保护伞——臭氧层,并且加剧了温室效应,实验结果表明,一千克的制冷剂对温室效应的贡献相当于两吨二氧化碳。

有没有更环保的制冷剂呢?目前我们想到的主要替代品为碳氢化合物,如R134a(四氟乙烷)和R600a(异丁烷)等。但这不过是一个过渡的权宜之计,因为R134a含氟,仍然对大气层有伤害,R600a相对而言更加环保,但是它会排出易燃易爆的气体,安全性得不到保障。

有没有什么好的替代品呢?最近科学家找到了更好的制冷剂——塑性晶体,一种固体制冷剂。

什么是塑性晶体

组成物质的粒子,如原子、分子等,有规律地排列所形成的固体物质我们叫做晶体,晶体具有对称的形状和固定的熔化温度,比如食盐、冰块、金属等。而塑料内部的粒子排列顺序是不规则的,也没有固定的熔化温度,加热到一定程度后,塑料会一直熔化,所以塑料不属于晶体。

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但有一种材料既有晶体的特性,也有塑料的特性,被称为“塑性晶体”。塑性晶体的分子结构表现出高度无序性,即晶格排列不规则;但是相对较小的压力便能诱导这些结构发生变化,从而可在晶体和非晶体之间转换。因此,这些材料是可高度压缩的,并且具有可逆性,即压缩后还可再恢复原状,这个性状我们称为“塑性”。因为这种新材料具有塑性,所以被命名为塑性晶体,比如中科院的科学家最近在研究的新戊二醇就是一种塑性晶体材料,这种材料可以作为冰箱的新型固态制冷剂。

固体制冷新时代

塑性晶体可做制冷剂的优势是,当塑性晶体在外力的影响下,它内部的分子排列会发生变化,这时它不仅会改变形状,还会产生较大的能量变化,从而改变温度。传统冰箱采用的是压缩机来控制压力,使液态制冷剂改变形态和温度,来调节冰箱内温度的机制,塑性晶体就是取代了传统的液态制冷剂,起到调节温度的作用。

初始时,塑性晶体的分子是无序排列的,它的温度跟室温一致。循环开始,压缩机加压,塑性晶体中的分子从无序状态转变成有序排列,温度上升。冰箱内部的散热器将塑性晶体的热量排到外部环境中,晶体的温度恢复到初始值,但是分子排列还是有序的。压缩机压力消失后,晶体分子回到无序状态,这时候它的温度大幅度下降,远远低于初始温度,塑性晶体就可以吸收冰箱内部食物散发的热量,等到晶体和冰箱内部温度一致时,压缩机再次加压,进入下一次循环。

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科学家发现,新戊二醇这种材料的分子排列从有序变成无序的过程中,温度下降的度数是传统制冷剂的数十倍,因此这种固体制冷剂不再需要流动也能保持整个冰箱内部的低温状态。

因为塑性晶体在整个制冷过程都是固体状态,不会产生破坏大气层、造成温室效应的气体,而且使用时也不会受到高压气体的威胁,不需要密集的蒸汽密封管道系统,新型冰箱可以制造成任何形状,冷却系统甚至可以缩小成单个微芯片,这大大提高了冰箱的便携程度。不过依赖塑性晶体制冷还有一个问题需要解决,与传统冰箱比起来,塑性晶体需要更大的外力来改变分子状态,这意味着需要消耗更多的能源。研究者们正在试验更节能的方法,也许两三年后我们就可以看到这样迷你环保的新冰箱。

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