Les machines ne supportent pas toujours la chaleur : deux ingénieurs expliquent comment les vagues de chaleur menacent tout, des voitures aux ordinateurs.

Non seulement les gens ont besoin de rester au frais, surtout en été Des vagues de chaleur record.De nombreuses machines, notamment les téléphones portables, les centres de données, les voitures et les avions, deviennent moins efficaces et se dégradent plus rapidement. chaleur extrême.Les machines génèrent également leur propre chaleur, ce qui peut rendre les températures autour d’elles encore plus élevées.

Nous sommes chercheurs en ingénierie qui étudient comment les machines gèrent la chaleur et les moyens de récupérer et de réutiliser efficacement la chaleur qui serait autrement gaspillée.La chaleur extrême affecte les machines de plusieurs manières.

Aucune machine n’est parfaitement efficace – toutes les machines sont confrontées à des frictions internes pendant leur fonctionnement.Cette friction amène les machines à dissiper une partie de la chaleur, donc plus il fait chaud dehors, plus la machine sera chaude.

Téléphones portables et appareils similaires avec batteries lithium-ion arrêtez également de fonctionner lorsque vous travaillez dans des climats supérieurs à 95 degrés Farenheit (35 degrés Celsius) – ceci afin d’éviter une surchauffe et une contrainte accrue sur l’électronique.

Des conceptions de refroidissement qui utilisent des technologies innovantes fluides à changement de phase peut aider à garder les machines au frais, mais dans la plupart des cas, la chaleur est finalement dissipée dans l'air.Ainsi, plus l’air est chaud, plus il est difficile de maintenir une machine suffisamment froide pour fonctionner efficacement.

De plus, plus les machines sont rapprochées, plus la chaleur dissipée sera importante dans les environs.

Matériaux déformants

Des températures plus élevées, dues aux conditions météorologiques ou à la chaleur excessive rayonnée par les machines, peuvent provoquer la déformation des matériaux des machines.Pour comprendre cela, considérons ce que signifie la température au niveau moléculaire.

À l'échelle moléculaire, la température est une mesure de la quantité de vibration des molécules.Ainsi, plus il fait chaud, plus les molécules qui composent tout, de l’air au sol en passant par les matériaux des machines, vibrent.

À mesure que la température augmente et que les molécules vibrent davantage, l’espace moyen entre elles augmente, provoquant la dilatation de la plupart des matériaux à mesure qu’ils chauffent.Les routes en sont un exemple : le béton chaud se dilate, se rétrécit et finit par craquer.Ce phénomène peut également affecter les machines, et les contraintes thermiques ne sont que le début du problème.

Retards de voyage et risques pour la sécurité

Les températures élevées peuvent également modifier le comportement des huiles du moteur de votre voiture, entraînant ainsi des pannes moteur potentielles.Par exemple, si une vague de chaleur fait qu'il fait 30 degrés F (16,7 degrés C) plus chaud que la normale, la viscosité – ou l'épaisseur – des huiles moteur de voiture typiques peut changer. par un facteur trois.

Les fluides comme les huiles moteur deviennent plus fluides à mesure qu'ils chauffent, donc s'il fait trop chaud, l'huile peut ne pas être suffisamment épaisse pour lubrifier correctement et protéger les pièces du moteur contre une usure accrue.

De plus, une journée chaude entraînera une dilatation de l'air à l'intérieur de vos pneus et une augmentation de la pression des pneus, ce qui pourrait augmenter l'usure et le risque de dérapage.

Les avions ne sont pas non plus conçus pour décoller à des températures extrêmes.À mesure qu’il fait plus chaud dehors, l’air commence à se dilater et prend plus de place qu’auparavant, le rendant plus mince ou moins dense.Ce réduction de la densité de l'air diminue le poids que l'avion peut supporter pendant le vol, ce qui peut entraîner des retards de voyage ou annulations de vols.

Dégradation de la batterie

En général, les composants électroniques contenus dans les appareils tels que les téléphones portables, les ordinateurs personnels et les centres de données sont constitués de nombreux types de matériaux qui réagissent tous différemment aux changements de température.Ces matériaux sont tous situés les uns à côté des autres dans des espaces restreints.Ainsi, à mesure que la température augmente, différents types de matériaux se déforment différemment, ce qui peut entraîner usure et panne prématurées.

Les batteries lithium-ion des voitures et des appareils électroniques en général se dégradent plus rapidement à des températures de fonctionnement plus élevées.C'est parce que des températures plus élevées augmenter le taux de réactions à l'intérieur de la batterie, y compris des réactions de corrosion qui épuisent le lithium de la batterie.Ce processus épuise sa capacité de stockage.Des recherches récentes montrent que les véhicules électriques peut perdre environ 20 % de son autonomie lorsqu'il est exposé à des conditions météorologiques soutenues de 90 degrés Farenheit.

Centres de données, qui sont des bâtiments remplis de serveurs qui stockent des données, dissipent des quantités importantes de chaleur pour garder leurs composants au frais.Lors des journées très chaudes, les ventilateurs doivent travailler plus fort pour éviter que les copeaux ne surchauffent.Dans certains cas, des ventilateurs puissants ne suffisent pas à refroidir l’électronique.

Pour garder les centres frais, l’air sec entrant de l’extérieur est souvent d’abord envoyé à travers un tampon humide.L'eau du coussin s'évapore dans l'air et absorbe la chaleur, ce qui refroidit l'air.Cette technique, appelée refroidissement par évaporation, est généralement une moyen économique et efficace pour maintenir les copeaux à une température de fonctionnement raisonnable.

Cependant, le refroidissement par évaporation peut nécessiter un quantité d'eau importante.Cette question est problématique dans les régions où l’eau est rare.L'eau de refroidissement peut s'ajouter à celle déjà empreinte intense de ressources associés aux centres de données.

Des climatiseurs en difficulté

Les climatiseurs ont du mal à fonctionner efficacement à mesure qu’il fait plus chaud dehors, juste au moment où on en a le plus besoin.Par temps chaud, les compresseurs de climatiseur doivent travailler plus fort pour envoyer la chaleur des maisons à l'extérieur, ce qui à son tour augmente de manière disproportionnée la consommation d'électricité et demande globale en électricité.

Par exemple, au Texas, chaque augmentation de 1,8 degrés F (1 degré C) crée une augmentation de environ 4% de la demande d'électricité.

La chaleur entraîne une augmentation stupéfiante de 50 % de la demande d'électricité pendant l'été dans les pays les plus chauds, ce qui pose de graves menaces de pénurie d'électricité ou des pannes d’électricité, associées à des émissions de gaz à effet de serre plus élevées.

Comment prévenir les dommages causés par la chaleur

Les vagues de chaleur et le réchauffement des températures partout dans le monde posent d’importants problèmes à court et à long terme tant aux personnes qu’aux machines.Heureusement, il existe des mesures que vous pouvez prendre pour minimiser les dégâts.

Tout d'abord, assurez-vous que vos machines sont conservées dans un endroit climatisé, espace bien isolé ou à l'abri de la lumière directe du soleil.

Deuxièmement, envisagez d’utiliser des appareils à haute consommation d’énergie comme les climatiseurs ou de recharger votre véhicule électrique pendant les heures creuses, lorsque moins de personnes utilisent l’électricité.Cela peut aider à éviter les pénuries d’électricité locales.

Réutiliser la chaleur

Les scientifiques et les ingénieurs développent des moyens d’utiliser et de recycler les grandes quantités de chaleur dissipée par les machines.Un exemple simple consiste à utiliser la chaleur perdue des centres de données. chauffer l'eau.

La chaleur résiduelle pourrait également alimenter d'autres types de systèmes de climatisation, tels que refroidisseurs à absorption, qui peut en fait utiliser la chaleur comme énergie pour alimenter les refroidisseurs grâce à une série de processus de transfert de produits chimiques et de chaleur.

Dans les deux cas, l’énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir quelque chose provient de la chaleur qui serait autrement gaspillée.En fait, la chaleur résiduelle des centrales électriques pourrait hypothétiquement soutenir 27 % du besoins en climatisation résidentielle, ce qui réduirait la consommation globale d’énergie et les émissions de carbone.

La chaleur extrême peut affecter tous les aspects de la vie moderne, et les vagues de chaleur ne disparaîtront pas dans les années à venir.Cependant, il existe des possibilités d’exploiter la chaleur extrême et de la faire fonctionner pour nous.