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黄吉平教授课题组在PRL发表论文并被Physics选为Focus:零能耗保温
发布人:韦佳  发布时间:2016-08-24   浏览次数:336

    2016年7月29日,Phys. Rev. Lett.发表了黄吉平课题组的论文[Phys. Rev. Lett. 117, 055501 (2016)],此文提出了一个物理概念:“环境温差中的零能耗保温”。此文甫经发表就被Physics选为焦点文章(Focus)专题报道[Physics 9, 89 (2016)]。


    何为“环境温差中的零能耗保温”?这里不妨从月球表面说起. 人们都知道,月球的表面温差非常大,太阳照射到的表面(朝阳面),其温度可高达1270C,而另一面——太阳照射不到的表面(背阳面),其温度可低达-1830C. 朝阳面与背阳面之间的温差高达3100C. 其实,类似的情况在很多场合都会遇到,例如在太空中飞行的人造卫星和航天器,它们的朝阳面和背阳面都有巨大的温差。鉴此,黄吉平课题组提出的一个问题是:既然朝阳面和背阳面有如此大的温差(即环境温差),那么,这个温差能否为我们人类所用呢?需知最适合人类居住的温度也就是200C左右。假设(仅仅是假设!)一个航天器的朝阳面和背阳面温度分别为1000C-1000C,这个温度区间已经包含了适宜我们人类居住的温度200C,那么,为什么还需要耗费电能以维持航天器内部温度(200C)呢?为什么不可以设置合适的航天器外壳,使其对环境温度自动响应,从而维持航天器内部的温度为200C?如果可以,这样的好处显而易见:不再需要额外消耗电能用于保温了,或说,实现了“环境温差中的零能耗保温”。


    至此,一个科学问题也就浮现出来了,即:如何从环境温差中捕获、并维持特定的温度?——这正是黄吉平课题组在此文中提出并致力解决的问题。他们是这样做的:图一(a)展示的是他们的理论模型或框架,A材料是一种相变材料,它的转变温度是Tc,当温度远高于Tc时,A材料是热的良导体,而当温度远低于Tc时,A材料是热的不良导体;B材料也是一种相变材料,它的转变温度也是Tc,但是,与A材料不同的是,当温度远高于Tc时,B材料是热的不良导体,而当温度远低于Tc时,B材料是热的良导体。A材料和B材料之间填充的是普通材料。注意:这里的转变温度Tc就是T0(低温端温度)和T3(高温端温度)之间的某一个值,它就是期望捕获的温度,由以上分析可见,通过选用合适的相变材料,Tc是可以预先确定的。图一(b-d)中的模拟结果显示,保持低温端温度(T0)不变时,当高温端温度(T3)323.2K上升到338.2K,再上升到353.2K时,中央区域的温度几乎维持不变,即分别为293.3K, 293.4K, 293.5K. 而对照组中的温度则显著变化[见图一(f-h)],分别为298.2K, 305.7K, 313.2K. 可见,温度捕获效果实现了。黄吉平课题组进而制备了实验样品,他们的实验结果显示了环境温差中零能耗保温的现实可行性。


     环境温差中零能耗保温这个概念的提出还有更多的应用价值,例如,它也可用于设计新型热隐身衣, 其中央隐身区域的温度几乎不随环境温度变化。黄吉平课题组提出的温度捕获理论有助于实现新的保温方法或控温方法,而零能耗保温这个概念则对节能领域有参考价值。当然,此文仅仅是可行性方面的科学论证,相关效果能否真正实现并走向应用,现在看来还遥不可及。