Машины не всегда выдерживают тепло: два инженера объясняют физику того, как тепловые волны угрожают всему — от автомобилей до компьютеров

Feb 23, 2024

Автор: Norhasnima Dimacaling, 30 августа 2023 г.

Шринивас Гаримелла, Технологический институт Джорджии, и Мэтью Т. Хьюз, Массачусетский технологический институт (MIT), [Эта статья впервые появилась в журнале The Conversation, переиздана с разрешения]

Не только людям необходимо сохранять прохладу, особенно летом, когда наблюдается рекордная жара. Многие машины, включая мобильные телефоны, центры обработки данных, автомобили и самолеты, становятся менее эффективными и быстрее изнашиваются в условиях сильной жары. Машины также генерируют собственное тепло, из-за чего температура вокруг них может стать еще жарче.

Мы — инженеры-исследователи, которые изучают, как машины управляют теплом и способы эффективного восстановления и повторного использования тепла, которое в противном случае теряется впустую. 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 аналогичные устройства с литий-ионными батареями также перестают работать при работе в климатических условиях выше 95 градусов по Фаренгейту (35 градусов по Цельсию) – это делается во избежание перегрева и повышенной нагрузки на электронику.

Конструкции охлаждения, в которых используются инновационные жидкости с фазовым изменением, могут помочь поддерживать охлаждение машин, но в большинстве случаев тепло все равно в конечном итоге рассеивается в воздух. 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.

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.

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

Когда металл нагревается, молекулы в нем колеблются быстрее и пространство между ними раздвигается дальше. Это приводит к расширению металла.

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 в конечном итоге трескается. Это явление может случиться и с оборудованием, и термические напряжения — это только начало проблемы.

Высокие температуры также могут изменить поведение масла в двигателе вашего автомобиля, что приведет к потенциальным отказам двигателя. Например, если из-за сильной жары температура на 30 градусов F (16,7 градусов C) выше, 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 увеличению давления в шинах, что может увеличить 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. Такое снижение плотности воздуха уменьшает вес, который самолет может выдержать во время полета, что может привести к значительным задержкам рейсов или отмене рейсов.

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 преждевременному износу и выходу 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 увеличивают скорость реакций внутри батареи, включая реакции коррозии, которые истощают литий в батарее. Этот процесс изнашивает его емкость. Недавние исследования показывают, что электромобили могут потерять около 20% запаса хода при длительной погоде при температуре 90 градусов по Фаренгейту.