机器并不总是能承受热量——两位工程师解释了热浪如何威胁从汽车到计算机等一切事物背后的物理原理

人们不仅需要保持凉爽，尤其是在夏季 破纪录的热浪. 。许多机器，包括手机、数据中心、汽车和飞机，在使用过程中效率会降低并且退化得更快。 极热. 。机器也会产生自己的热量，这会使周围的温度变得更高。

我们是 工程研究人员 谁学习 机器如何管理热量以及有效回收和再利用浪费的热量的方法。极端高温对机器的影响有多种方式。

没有一台机器是完全高效的——所有机器在运行过程中都会面临一些内部摩擦。这种摩擦会导致机器散发一些热量，因此外面越热，机器就会越热。

手机 和类似的设备 锂离子电池 当在 95 华氏度（35 摄氏度）以上的气候条件下运行时，也会停止工作 - 这是为了避免过热和增加电子设备的压力。

采用创新的冷却设计 相变流体 可以帮助机器保持凉爽，但在大多数情况下热量最终仍会消散到空气中。因此，空气越热，让机器保持足够凉爽以使其高效运行就越困难。

另外，机器距离越近，周围区域散发的热量就越多。

变形材料

由于天气或机械辐射的多余热量而产生的较高温度可能会导致机械中的材料变形。要理解这一点，请考虑温度在分子水平上的含义。

在 分子尺度, ，温度是分子振动程度的度量。因此，天气越热，构成从空气到地面到机械材料的分子振动就越大。

随着温度升高和分子振动加大，它们之间的平均空间增大，导致大多数材料在加热时膨胀。道路是一个可以看到这一现象的地方——热混凝土膨胀、收缩， 最终破裂. 。这种现象也可能发生在机械上，而热应力只是问题的开始。

旅行延误和安全风险

高温还会改变汽车发动机中机油的行为方式，导致潜在的发动机故障。例如，如果热浪使其比正常温度高 30 华氏度（16.7 摄氏度），典型汽车发动机油的粘度或稠度就会发生变化 三倍.

发动机油等液体在加热时会变得更稀，因此，如果温度太高，油可能不够稠，无法适当润滑并保护发动机部件免受磨损。

此外，炎热的天气会导致轮胎内的空气膨胀并增加轮胎压力，这可能会导致轮胎磨损。 增加磨损和打滑的风险.

飞机也不是为在极端温度下起飞而设计的。随着外面越来越热，空气开始膨胀并占据比以前更多的空间，使其变得更稀薄或密度更小。这 空气密度降低 减少飞机在飞行过程中可以支撑的重量，这可能会导致严重的 旅行延误 或航班取消。

电池退化

一般来说，手机、个人电脑和数据中心等设备中的电子设备由多种材料组成，这些材料对温度变化的反应各不相同。这些材料都在狭小的空间中彼此相邻。因此，随着温度升高，不同种类的材料变形不同，可能导致 过早磨损和失效.

汽车和通用电子产品中的锂离子电池在较高的工作温度下降解速度更快。这是因为较高的温度 提高反应速度 电池内部，包括耗尽电池中锂的腐蚀反应。此过程会消耗其存储容量。最近的研究表明，电动汽车 可能会失去大约 20% 的射程 当暴露于持续 90 华氏度的天气时。

数据中心, 建筑物内布满了存储数据的服务器，需要散发大量热量以保持组件凉爽。在炎热的天气里，风扇必须更加努力地工作以确保芯片不会过热。在某些情况下，强大的风扇不足以冷却电子设备。

为了保持中心凉爽，从外部进入的干燥空气通常首先通过湿垫。垫上的水蒸发到空气中并吸收热量，从而冷却空气。这种技术称为蒸发冷却，通常是一种 经济有效的方法 使芯片保持在合理的工作温度。

然而，蒸发冷却可能需要 大量的水. 。这个问题在缺水地区很成问题。用于冷却的水可以添加到已经 密集的资源足迹 与数据中心相关。

空调的困境

当室外越来越热时，空调就难以有效运行——就在最需要它们的时候。大热天，空调压缩机要更加努力地工作 把热量从家里送出去 外部，这反过来又不成比例地增加电力消耗 总电力需求.

例如，在德克萨斯州，气温每升高 1.8 华氏度（1 摄氏度）就会导致温度升高 电力需求约4%.

高温导致较热国家夏季电力需求惊人地增加 50%，对电力系统造成严重威胁 电力短缺 或停电，再加上温室气体排放量增加。

如何防止热损伤

全球范围内的热浪和气温升高给人类和机器带来了重大的短期和长期问题。幸运的是，您可以采取一些措施来最大程度地减少损失。

首先，确保您的机器存放在有空调的环境中， 隔热良好的空间 或避免阳光直射。

其次，考虑使用空调等高耗能设备，或者在用电人数较少的非高峰时段为电动汽车充电。这有助于避免当地电力短缺。

热量再利用

科学家和工程师正在开发利用和回收机器散发的大量热量的方法。一个简单的例子是利用数据中心的废热 加热水.

废热还可以驱动其他类型的空调系统，例如 吸收式制冷机, ，它实际上可以利用热量作为能源，通过一系列化学和传热过程来支持冷却器。

无论哪种情况，加热或冷却某物所需的能量都来自于其他情况下被浪费的热量。事实上，假设发电厂的废热可以支持 27% 的电力 住宅空调需求, ，这将减少总体能源消耗和碳排放。

极端高温会影响现代生活的方方面面，而且热浪在未来几年不会消失。然而，我们有机会利用极端高温并使其为我们所用。