لا تستطيع الآلات دائمًا تحمل الحرارة - يشرح مهندسان الفيزياء وراء كيفية تهديد موجات الحرارة لكل شيء بدءًا من السيارات وحتى أجهزة الكمبيوتر

لا يحتاج الناس فقط إلى البقاء هادئين، خاصة في فصل الصيف موجات حر قياسية.العديد من الآلات، بما في ذلك الهواتف المحمولة ومراكز البيانات والسيارات والطائرات، تصبح أقل كفاءة وتتحلل بسرعة أكبر الحرارة الشديدة.تولد الآلات أيضًا حرارتها الخاصة، مما قد يجعل درجات الحرارة المحيطة بها أكثر سخونة.

نحن الباحثين الهندسيين الذين يدرسون كيف تدير الآلات الحرارة وطرق استعادة الحرارة المهدرة وإعادة استخدامها بشكل فعال.هناك عدة طرق تؤثر فيها الحرارة الشديدة على الآلات.

لا توجد آلة تتمتع بالكفاءة الكاملة، حيث تواجه جميع الآلات بعض الاحتكاك الداخلي أثناء التشغيل.يؤدي هذا الاحتكاك إلى تبديد الآلات لبعض الحرارة، لذا كلما زادت سخونة الجو في الخارج، زادت سخونة الآلة.

الهواتف المحمولة والأجهزة المماثلة مع بطاريات الليثيوم أيون توقف عن العمل أيضًا عند العمل في مناخات تزيد عن 95 درجة فهرنهايت (35 درجة مئوية) - وذلك لتجنب ارتفاع درجة الحرارة وزيادة الضغط على الإلكترونيات.

تصاميم التبريد التي تستخدم مبتكرة سوائل متغيرة الطور يمكن أن يساعد في الحفاظ على برودة الآلات، ولكن في معظم الحالات تظل الحرارة متبددة في الهواء في النهاية.لذلك، كلما كان الهواء أكثر سخونة، أصبح من الصعب الحفاظ على برودة الآلة بدرجة كافية لتعمل بكفاءة.

بالإضافة إلى ذلك، كلما كانت الآلات قريبة من بعضها البعض، كلما زادت الحرارة المتبددة في المنطقة المحيطة.

تشوه المواد

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة، سواء بسبب الطقس أو الحرارة الزائدة المنبعثة من الآلات، إلى تشوه المواد الموجودة في الآلات.لفهم ذلك، فكر في ما تعنيه درجة الحرارة على المستوى الجزيئي.

في النطاق الجزيئي, ، درجة الحرارة هي مقياس لمدى اهتزاز الجزيئات.لذا، كلما كان الجو أكثر سخونة، كلما زادت اهتزاز الجزيئات التي تشكل كل شيء، بدءًا من الهواء إلى الأرض وحتى المواد الموجودة في الآلات.

ومع ارتفاع درجة الحرارة وزيادة اهتزاز الجزيئات، يزداد متوسط ​​المساحة بينها، مما يؤدي إلى تمدد معظم المواد أثناء تسخينها.الطرق هي أحد الأماكن التي يمكن رؤية ذلك فيها - فالخرسانة الساخنة تتمدد وتتقلص وتتقلص الشقوق في نهاية المطاف.يمكن أن تحدث هذه الظاهرة للآلات أيضًا، والإجهاد الحراري هو مجرد بداية المشكلة.

تأخير السفر ومخاطر السلامة

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أيضًا إلى تغيير الطريقة التي تتصرف بها الزيوت الموجودة في محرك سيارتك، مما يؤدي إلى فشل محتمل في المحرك.على سبيل المثال، إذا أدت موجة الحر إلى ارتفاع درجة حرارتها بمقدار 30 درجة فهرنهايت (16.7 درجة مئوية) عن المعتاد، فقد تتغير لزوجة - أو سمك - زيوت محركات السيارات النموذجية. بعامل ثلاثة.

تصبح السوائل مثل زيوت المحرك أقل سمكًا عند تسخينها، لذلك إذا أصبحت ساخنة جدًا، فقد لا يكون الزيت سميكًا بدرجة كافية لتشحيم أجزاء المحرك بشكل صحيح وحمايتها من التآكل المتزايد.

بالإضافة إلى ذلك، سيؤدي اليوم الحار إلى تمدد الهواء داخل إطاراتك وزيادة ضغط الإطارات، وهو ما قد يحدث زيادة التآكل وخطر الانزلاق.

كما أن الطائرات ليست مصممة للإقلاع في درجات الحرارة القصوى.عندما يصبح الجو أكثر سخونة في الخارج، يبدأ الهواء في التوسع ويحتل مساحة أكبر من ذي قبل، مما يجعله أرق أو أقل كثافة.هذا انخفاض في كثافة الهواء يقلل من مقدار الوزن الذي يمكن أن تتحمله الطائرة أثناء الطيران، مما قد يسبب ضررًا كبيرًا تأخير السفر أو إلغاء الرحلات.

تدهور البطارية

بشكل عام، تتكون الإلكترونيات الموجودة في أجهزة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية ومراكز البيانات من أنواع عديدة من المواد التي تستجيب جميعها بشكل مختلف للتغيرات في درجات الحرارة.وتقع هذه المواد جميعها بجانب بعضها البعض في مساحات ضيقة.لذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة، تتشوه أنواع مختلفة من المواد بشكل مختلف، مما قد يؤدي إلى التآكل المبكر والفشل.

تتحلل بطاريات الليثيوم أيون في السيارات والإلكترونيات العامة بشكل أسرع عند درجات حرارة التشغيل المرتفعة.وذلك بسبب ارتفاع درجات الحرارة زيادة معدل ردود الفعل داخل البطارية، بما في ذلك تفاعلات التآكل التي تستنزف الليثيوم الموجود في البطارية.هذه العملية تستهلك قدرتها التخزينية.تظهر الأبحاث الحديثة أن السيارات الكهربائية يمكن أن تفقد حوالي 20٪ من مداها عند تعرضه لطقس مستمر بدرجة حرارة 90 درجة فهرنهايت.

مراكز البيانات, وهي عبارة عن مباني مليئة بالخوادم التي تقوم بتخزين البيانات، وتبديد كميات كبيرة من الحرارة للحفاظ على برودة مكوناتها.في الأيام شديدة الحرارة، يجب على المراوح أن تعمل بجد أكبر لضمان عدم ارتفاع درجة حرارة الرقائق.في بعض الحالات، لا تكفي المراوح القوية لتبريد الأجهزة الإلكترونية.

للحفاظ على برودة المراكز، غالبًا ما يتم إرسال الهواء الجاف الوارد من الخارج أولاً عبر وسادة رطبة.يتبخر الماء من الوسادة إلى الهواء ويمتص الحرارة، مما يؤدي إلى تبريد الهواء.هذه التقنية، والتي تسمى التبريد التبخيري، عادة ما تكون وسيلة طريقة اقتصادية وفعالة للحفاظ على الرقائق في درجة حرارة تشغيل معقولة.

ومع ذلك، قد يتطلب التبريد بالتبخير أ كمية كبيرة من الماء.وتمثل هذه المشكلة مشكلة في المناطق التي تندر فيها المياه.يمكن إضافة الماء للتبريد إلى الماء الموجود بالفعل بصمة الموارد المكثفة المرتبطة بمراكز البيانات.

مكيفات الهواء تكافح

تواجه مكيفات الهواء صعوبة في الأداء بفعالية مع ارتفاع درجة حرارة الجو في الخارج – فقط عندما تكون هناك حاجة إليها بشدة.في الأيام الحارة، يجب أن تعمل ضواغط مكيف الهواء بجهد أكبر إرسال الحرارة من المنازل في الخارج، مما يؤدي بدوره إلى زيادة استهلاك الكهرباء بشكل غير متناسب الطلب الإجمالي على الكهرباء.

على سبيل المثال، في ولاية تكساس، كل زيادة قدرها 1.8 درجة فهرنهايت (1 درجة مئوية) تؤدي إلى ارتفاع قدره 1.8 درجة فهرنهايت حوالي 4% من الطلب على الكهرباء.

تؤدي الحرارة إلى زيادة مذهلة بنسبة 50% في الطلب على الكهرباء خلال فصل الصيف في البلدان الأكثر حرارة، مما يشكل تهديدات خطيرة نقص الكهرباء أو انقطاع التيار الكهربائي، إلى جانب ارتفاع انبعاثات الغازات الدفيئة.

كيفية الوقاية من أضرار الحرارة

تشكل موجات الحرارة وارتفاع درجات الحرارة في جميع أنحاء العالم مشاكل كبيرة على المدى القصير والطويل للأشخاص والآلات على حد سواء.ولحسن الحظ، هناك أشياء يمكنك القيام بها لتقليل الضرر.

أولاً، تأكد من حفظ أجهزتك في مكان مكيف الهواء، مساحة معزولة بشكل جيد أو بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة.

ثانيًا، فكر في استخدام أجهزة عالية الطاقة مثل مكيفات الهواء أو شحن سيارتك الكهربائية خارج ساعات الذروة عندما يستخدم عدد أقل من الأشخاص الكهرباء.وهذا يمكن أن يساعد في تجنب نقص الكهرباء المحلي.

إعادة استخدام الحرارة

يقوم العلماء والمهندسون بتطوير طرق لاستخدام وإعادة تدوير الكميات الهائلة من الحرارة المتبددة من الآلات.أحد الأمثلة البسيطة هو استخدام الحرارة المهدرة من مراكز البيانات لتسخين الماء.

يمكن أن تؤدي الحرارة المهدرة أيضًا إلى تشغيل أنواع أخرى من أنظمة تكييف الهواء، مثل مبردات الامتصاص, ، والتي يمكنها في الواقع استخدام الحرارة كطاقة لدعم المبردات من خلال سلسلة من العمليات الكيميائية ونقل الحرارة.

وفي كلتا الحالتين، فإن الطاقة اللازمة لتسخين أو تبريد شيء ما تأتي من الحرارة المهدرة.في الواقع، يمكن أن تدعم الحرارة المهدرة من محطات الطاقة نظريًا 27% من الطاقة احتياجات تكييف الهواء السكنية, ، الأمر الذي من شأنه أن يقلل من استهلاك الطاقة بشكل عام وانبعاثات الكربون.

يمكن أن تؤثر الحرارة الشديدة على كل جانب من جوانب الحياة الحديثة، ولن تختفي موجات الحرارة في السنوات القادمة.ومع ذلك، هناك فرص لتسخير الحرارة الشديدة وجعلها مفيدة لنا.