機械は常に熱に耐えられるわけではありません。熱波が車からコンピューターに至るまであらゆるものにどのような脅威をもたらすのか、その背後にある物理学を 2 人のエンジニアが説明します

特に猛暑の夏、涼しく過ごす必要があるのは人々だけではありません。 記録的な熱波. 。携帯電話、データセンター、自動車、飛行機などの多くの機械は、効率が低下し、より早く劣化します。 極度の暑さ. 。機械は自らも熱を発生するため、周囲の高温がさらに高温になる可能性があります。

私たちは 工学研究者 勉強する人 機械が熱を管理する方法と、廃棄される熱を効果的に回収して再利用する方法について説明します。極度の熱がマシンに与える影響はいくつかあります。

完全に効率的な機械は存在しません。すべての機械は動作中にある程度の内部摩擦に直面します。この摩擦によって機械はある程度の熱を放散するため、屋外が暑ければ暑いほど、機械の温度も高くなります。

携帯電話 および同様のデバイス リチウムイオン電池 華氏 95 度 (摂氏 35 度) を超える気候で動作する場合も同様に動作を停止します。これは、過熱と電子機器へのストレスの増加を避けるためです。

革新的な冷却設計を採用 相変化流体 機械を冷たく保つのに役立ちますが、ほとんどの場合、熱は最終的に空気中に放散されます。したがって、空気が熱くなるほど、マシンを効率的に機能するのに十分な温度に保つことが難しくなります。

さらに、マシン同士が近づくほど、周囲の領域でより多くの熱が放散されます。

変形素材

天候や機械から放射される過剰な熱によって温度が上昇すると、機械内の材料が変形する可能性があります。これを理解するには、温度が分子レベルで何を意味するのかを考えてみましょう。

で 分子スケール, 温度は分子がどれだけ振動しているかを示す尺度です。そのため、気温が高くなるほど、空気から地面、機械の材料に至るまで、あらゆるものを構成する分子の振動が大きくなります。

温度が上昇して分子の振動が増えると、分子間の平均間隔が広がり、ほとんどの材料が加熱すると膨張します。道路はこれを確認できる場所の 1 つです。熱いコンクリートが膨張し、収縮し、 やがて亀裂が入る. 。この現象は機械でも発生する可能性があり、熱応力は問題の始まりにすぎません。

旅行の遅延と安全上のリスク

高温により車のエンジン内のオイルの挙動が変化し、エンジン故障の可能性が生じる可能性があります。たとえば、熱波により気温が通常より 30 度 (16.7 度) 高くなると、一般的な自動車のエンジン オイルの粘度 (つまり粘度) が変化する可能性があります。 3 倍.

エンジン オイルなどの液体は加熱すると薄くなるため、高温になりすぎると、適切に潤滑してエンジン部品を摩耗の増加から保護するのに十分な粘度がオイルに得られなくなる可能性があります。

さらに、暑い日にはタイヤ内の空気が膨張してタイヤの空気圧が上昇し、 摩耗が増加し、横滑りの危険性が高まります.

飛行機は極端な温度で離陸するように設計されていません。外が暑くなると、空気が膨張し始め、以前よりも多くのスペースを占有し、空気が薄くなったり、密度が低くなります。これ 空気密度の減少 飛行機が飛行中にサポートできる重量が減少し、重大な事故が発生する可能性があります。 旅行の遅れ または飛行機のキャンセル。

バッテリーの劣化

一般に、携帯電話、パソコン、データセンターなどの機器に含まれる電子機器は、温度変化に対してそれぞれ異なる反応を示す多くの種類の材料で構成されています。これらのマテリアルはすべて、狭いスペースに隣り合って配置されています。そのため、温度が上昇すると、材料の種類が異なると変形が異なり、潜在的に次のような問題が発生する可能性があります。 早期の摩耗と故障.

自動車や一般電子機器に搭載されているリチウムイオン電池は、動作温度が高くなると劣化が早くなります。気温が高くなるからです 反応率を上げる これには、バッテリー内のリチウムを枯渇させる腐食反応も含まれます。このプロセスにより、ストレージ容量が消耗します。最近の研究によると、電気自動車は 射程距離の約 20% を失う可能性があります 華氏90度の天候にさらされた場合。

データセンター, は、データを保存するサーバーでいっぱいの建物で、コンポーネントを冷却するために大量の熱を放散します。非常に暑い日には、チップが過熱しないようにファンはより懸命に動作する必要があります。場合によっては、強力なファンだけでは電子機器を冷却するのに十分ではありません。

中心部を涼しく保つために、外部から入ってくる乾燥した空気は、最初に湿ったパッドを通って送られることがよくあります。パッドからの水が空気中に蒸発して熱を吸収し、空気を冷却します。蒸発冷却と呼ばれるこの技術は、通常、 経済的で効果的な方法 チップを適切な動作温度に保ちます。

ただし、蒸発冷却には次のことが必要になる場合があります。 かなりの量の水. 。この問題は水が不足している地域では問題となります。冷却用の水はすでにあるものに追加することができます 膨大なリソースの使用量 データセンターに関連するもの。

苦戦するエアコン

外が暑くなると、エアコンが最も必要なときに、効果的に機能しにくくなります。暑い日には、エアコンのコンプレッサーはより激しく働かなければなりません。 家から熱を送ります 屋外では電力消費量が不釣り合いに増加し、 全体的な電力需要.

たとえば、テキサス州では、華氏 1.8 度 (摂氏 1 度) 上昇するたびに、気温が上昇します。 電力需要の約4%.

暑い国では、暑さにより夏の電力需要が 50% という驚異的な増加につながり、深刻な脅威が生じています。 電力不足 または停電と温室効果ガス排出量の増加。

熱によるダメージを防ぐ方法

世界中の熱波と気温の上昇は、人間と機械の両方に短期的および長期的な重大な問題を引き起こします。幸いなことに、被害を最小限に抑えるためにできることはいくつかあります。

まず、マシンがエアコンの効いた場所に保管されていることを確認してください。 しっかりと断熱された空間 または直射日光を避けてください。

次に、電気を使用する人が少ないオフピーク時間帯に、エアコンなどの高エネルギー機器を使用したり、電気自動車を充電したりすることを検討してください。これにより、地域の電力不足を回避できます。

熱の再利用

科学者やエンジニアは、機械から放散される膨大な熱を利用し、リサイクルする方法を開発しています。簡単な例としては、データセンターからの廃熱の利用が挙げられます。 水を加熱する.

廃熱は、次のような他の種類の空調システムを駆動する可能性もあります。 吸収式冷凍機, 、実際に熱をエネルギーとして使用し、一連の化学および熱伝達プロセスを通じてクーラーをサポートできます。

どちらの場合でも、何かを加熱または冷却するために必要なエネルギーは、廃棄される熱から得られます。実際、発電所からの廃熱は、仮説上、エネルギーの 27% を賄うことができます。 住宅用エアコンのニーズ, 、全体的なエネルギー消費と炭素排出量が削減されます。

猛暑は現代生活のあらゆる側面に影響を与える可能性があり、熱波は今後数年にわたって消えることはありません。しかし、極度の暑さを利用してうまく機能させる機会はあります。