版權歸原作者所有，如有侵權，請聯系我們

“熱盡其用”——顧名思義，就是探求可行的方法來提高熱能的綜合利用效率。

近日，筆者在塑晶材料中發現，龐壓卡效應可用作新型制冷材料。這種材料，不僅可以實現零碳制冷，消除制冷領域的環境危害，還可以實現余熱的收集和再利用，達到降低碳排放、提高能源利用率的目的。

Part.1

什么是熱？

熱是一種形式的能量，這種形式的能量可以由溫度來刻畫，溫度越高，所蘊含的熱能就越多。

熱能看得見、摸得著。如果以長征五號火箭發射的畫面為例，可以判斷火箭尾端的火焰溫度非常高，因為它的熱輻射很高，所以說我們通過它的顏色就可以辨別出它的溫度。同時，熱也摸得著，如果用手去觸摸熱的東西，會感到東西發燙。

長征五號火箭發射圖

（圖片來源：人民網）

從微觀角度來講，熱能反映了組成物質的原子或者分子，微觀運動的劇烈程度，運動的劇烈程度越強，材料所蘊含的熱能就越多，其溫度就越高。

熱有一個特點，它和水一樣，總是往低處走，這是由熱力學第二定律所決定的。熱力學的奠基人和“熵”的概念創造者克勞修斯曾經指出，熱量是自發地從高溫物體向低溫物體轉移，它們最終會在中間的溫度達到平衡。

熱在我們生活中扮演了不可或缺的重要角色。如果我們的目標溫度低于環境溫度，這就是制冷；如果我們的目標溫度高于環境溫度，那就是制熱。

Part.2

制冷的前世今生

大家可以想象，如果想冷凍一個東西，我們就得從其中拿出熱量，從而實現制冷。

在我國戰國時期曾經就已經發明了一種青銅器——“冰鑒”，這種青銅器里有一個夾層，這個夾層是專門用來盛放冰的，這是現在發現的最原始的“冰箱”。但從嚴格意義上講，它并不是一個冰箱，因為要用它首先需要有冰，這并不是主動制冷。

真正意義上的主動制冷是在第一次工業革命之后，由于蒸汽機被發明出來，人類第一次有了動力。利用蒸汽機動力來制造真空，從而加速像乙醚這樣易揮發的物質的揮發過程，利用揮發吸熱得原理就達到了制冷的目的。

這是人類第一次可以用主動的方式實現制冷，而我們現代意義上的冰箱則是在1927年才被發明出來的！

（圖片來源：Veer圖庫）

Part.3

制熱——人類發展史的見證者

相比于制冷，制熱更能反映我們整個人類的發展歷史。從遠古時期先民鉆木取火開始，到第一次工業革命前后煤炭的大量使用，蒸汽動力極大地推動了人類的進步，再到最近這些年來，石油、天然氣的大量使用，“制熱”對于現代生活產生的影響是巨大的。

（圖片來源：Veer圖庫）

在目前熱能利用領域的基本格局中，我們的初級能源中大概31%的初級能源被用來產生熱，而同時在其他工業門類里又有28%的能量以熱能的形式散失掉。熱能生產占據全社會總碳排放量的30%左右。

（圖片來源：Veer圖庫）

這就帶來一個很有意思的問題，叫熱能悖論——如果將能源利用過程中損失的熱能加以利用，來彌補熱能生產，不但節約了能源，也減少了熱能生產過程中產生的碳排放。

那么，有沒有方法實現這個奇思妙想呢？

Part.4

何謂龐壓卡效應

筆者發現了龐壓卡效應這一新的材料性質。說到龐壓卡效應，就需要先解釋一下什么是塑晶材料。這是一種非常特殊的固體材料，由高速旋轉的、無序的有機分子組成。

這種材料很軟，**只需要施加一個很小的壓力，這些有機分子的高能量狀態就會被抑制，材料變成低能量狀態，從而釋放出大量的熱量。李昺將這種通過較小壓力誘導出的顯著相變制冷效應的現象命名為龐壓卡效應。**利用龐壓卡效應，筆者帶領團隊設計了首個壓卡制冷樣機。

龐壓卡制冷技術跟傳統的氣體壓縮制冷技術相比，在整個制冷過程中，材料都處于固體狀態，這個過程中沒有任何氣體參與，顯然就不會有我們所關心的碳排放和臭氧破壞的問題。

在研究制冷技術的同時，筆者也在思考如何才能高效回收利用產生的熱能，進而實現上文中所提到的奇思妙想。

通過實驗，筆者發現塑晶材料中有一類材料在80攝氏度左右開始存儲熱量變成塑晶態，在室溫環境中，施加約6兆帕的微小壓力（相當于我們用手捏一個物體的力）就可以誘發塑晶態向常規晶體狀態轉變，在極短的時間內便可釋放出其所儲存的大量熱量，20秒內溫度可以升高48攝氏度。

這就是一個完整的塑晶材料吸放熱過程——加熱吸收熱量、冷卻鎖定熱量、加壓釋放熱量。

眾所周知，各種工業流程和大型數據中心都會消耗大量的能源，與此同時產生的熱量需要進行散熱或者冷卻，這本身就是對能源的極大浪費，也會帶來大量的碳排放。

而基于這一類技術，如果能夠實現對工業流程余熱、大型數據中心的余熱、地熱資源以及日照資源等熱能的吸收、儲存、和再利用，進而實現對熱能的有序調控，這對碳中和乃至于地球環境保護的意義是非常巨大的。

出品：科普中國

作者：李昺（中國科學院金屬研究所）

監制：中國科普博覽

歡迎掃碼關注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優惠的科普活動和科普好物！