Машины не всегда могут выдерживать тепло – два инженера объясняют физику того, как тепловые волны угрожают всему, от автомобилей до компьютеров.

Не только людям нужно сохранять прохладу, особенно летом. рекордные волны тепла.Многие машины, включая мобильные телефоны, центры обработки данных, автомобили и самолеты, становятся менее эффективными и быстрее изнашиваются. сильная жара.Машины также генерируют собственное тепло, из-за чего температура вокруг них может стать еще жарче.

Мы инженеры-исследователи кто учится как машины управляют теплом и способы эффективного восстановления и повторного использования тепла, которое в противном случае теряется.Есть несколько причин, по которым сильная жара влияет на машины.

Ни одна машина не является идеально эффективной – все машины во время работы сталкиваются с некоторым внутренним трением.Это трение заставляет машины рассеивать некоторое количество тепла, поэтому чем жарче снаружи, тем горячее будет машина.

Мобильные телефоны и подобные устройства с литий-ионные аккумуляторы также прекратите работу при работе в климатических условиях выше 95 градусов по Фаренгейту (35 градусов по Цельсию) – это необходимо во избежание перегрева и повышенной нагрузки на электронику.

Охлаждающие конструкции, в которых используются инновационные фазоизменающие жидкости может помочь охладить машины, но в большинстве случаев тепло все равно в конечном итоге рассеивается в воздухе.Таким образом, чем горячее воздух, тем сложнее поддерживать температуру машины достаточной для эффективной работы.

Кроме того, чем ближе друг к другу расположены машины, тем больше тепла будет рассеиваться в окружающей среде.

Деформирующие материалы

Более высокие температуры, вызванные погодными условиями или избыточным теплом, излучаемым оборудованием, могут привести к деформации материалов в оборудовании.Чтобы понять это, рассмотрим, что означает температура на молекулярном уровне.

В молекулярный масштаб, температура является мерой того, насколько сильно колеблются молекулы.Таким образом, чем жарче, тем сильнее вибрируют молекулы, из которых состоит все, от воздуха до земли и материалов в машинах.

По мере повышения температуры и усиления вибрации молекул среднее пространство между ними увеличивается, в результате чего большинство материалов расширяются при нагревании.Дороги — единственное место, где это можно увидеть: горячий бетон расширяется, сжимается и со временем трескается.Это явление может случиться и с оборудованием, и термические напряжения — это только начало проблемы.

Задержки в пути и риски для безопасности

Высокие температуры также могут изменить поведение масла в двигателе вашего автомобиля, что приведет к потенциальным отказам двигателя.Например, если из-за сильной жары температура становится на 30 градусов F (16,7 градусов C) жарче, чем обычно, вязкость (или густота) типичных автомобильных моторных масел может измениться. в три раза.

Жидкости, такие как моторные масла, становятся более жидкими по мере нагревания, поэтому, если оно становится слишком горячим, масло может быть недостаточно густым, чтобы должным образом смазывать и защищать детали двигателя от повышенного износа.

Кроме того, жаркий день приведет к расширению воздуха внутри шин и повышению давления в шинах, что может увеличивают износ и риск заноса.

Самолеты также не предназначены для взлета при экстремальных температурах.Когда на улице становится жарче, воздух начинает расширяться и занимает больше места, чем раньше, делая его тоньше или менее плотным.Этот уменьшение плотности воздуха уменьшает вес, который самолет может выдержать во время полета, что может привести к значительным задержки в пути или отмены рейса.

Деградация батареи

В целом электроника, содержащаяся в таких устройствах, как мобильные телефоны, персональные компьютеры и центры обработки данных, состоит из множества видов материалов, которые по-разному реагируют на изменения температуры.Все эти материалы расположены рядом друг с другом в ограниченном пространстве.Таким образом, при повышении температуры разные виды материалов деформируются по-разному, что потенциально может привести к преждевременный износ и выход из строя.

Литий-ионные аккумуляторы в автомобилях и общей электронике разлагаются быстрее при более высоких рабочих температурах.Это связано с тем, что более высокие температуры увеличить скорость реакций внутри батареи, включая реакции коррозии, приводящие к истощению лития в батарее.Этот процесс изнашивает его емкость.Последние исследования показывают, что электромобили может потерять около 20% своего радиуса действия при длительном воздействии температуры 90 градусов по Фаренгейту.

Дата-центры, которые представляют собой здания, заполненные серверами, хранящими данные, рассеивают значительное количество тепла, чтобы их компоненты оставались холодными.В очень жаркие дни вентиляторам приходится работать усерднее, чтобы чипы не перегревались.В некоторых случаях мощных вентиляторов недостаточно для охлаждения электроники.

Чтобы центры оставались прохладными, сухой воздух, поступающий снаружи, часто сначала направляется через влажную подкладку.Вода с подушки испаряется в воздух и поглощает тепло, что охлаждает воздух.Этот метод, называемый испарительным охлаждением, обычно представляет собой экономичный и эффективный способ поддерживать чипы при разумной рабочей температуре.

Однако испарительное охлаждение может потребовать значительное количество воды.Этот вопрос является проблематичным в регионах, где воды не хватает.Воду для охлаждения можно добавить к уже интенсивное использование ресурсов связанные с дата-центрами.

Борющиеся кондиционеры

Кондиционеры с трудом работают эффективно, поскольку на улице становится все жарче – как раз тогда, когда они нужны больше всего.В жаркие дни компрессорам кондиционеров приходится работать усерднее, чтобы отводить тепло из домов снаружи, что, в свою очередь, непропорционально увеличивает потребление электроэнергии и общий спрос на электроэнергию.

Например, в Техасе каждое повышение температуры на 1,8 градуса F (1 градус C) приводит к увеличению около 4% спроса на электроэнергию.

Жара приводит к ошеломляющему 50-процентному увеличению спроса на электроэнергию летом в более жарких странах, создавая серьезную угрозу нехватка электроэнергии или отключения электроэнергии в сочетании с более высокими выбросами парниковых газов.

Как предотвратить тепловое повреждение

Волны жары и повышение температуры по всему миру создают серьезные краткосрочные и долгосрочные проблемы как для людей, так и для машин.К счастью, есть вещи, которые вы можете сделать, чтобы минимизировать ущерб.

Во-первых, убедитесь, что ваши машины хранятся в кондиционированном помещении. хорошо изолированное помещение или вдали от прямых солнечных лучей.

Во-вторых, рассмотрите возможность использования устройств с высоким энергопотреблением, таких как кондиционеры, или зарядки электромобиля в непиковые часы, когда электричеством пользуется меньше людей.Это может помочь избежать местной нехватки электроэнергии.

Повторное использование тепла

Ученые и инженеры разрабатывают способы использования и переработки огромного количества тепла, рассеиваемого машинами.Одним из простых примеров является использование отработанного тепла центров обработки данных. нагревать воду.

Отходящее тепло может также привести в действие другие виды систем кондиционирования воздуха, такие как абсорбционные охладители, который фактически может использовать тепло в качестве энергии для поддержки охладителей посредством ряда химических и теплопередающих процессов.

В любом случае энергия, необходимая для нагрева или охлаждения чего-либо, поступает из тепла, которое в противном случае теряется впустую.Фактически, отходящее тепло электростанций гипотетически может обеспечивать 27% потребности в кондиционировании жилых помещений, что позволит снизить общее потребление энергии и выбросы углекислого газа.

Экстремальная жара может повлиять на каждый аспект современной жизни, и волны тепла не исчезнут в ближайшие годы.Однако есть возможности использовать экстремальную жару и заставить ее работать на нас.