エネルギーを一切使わずに物体を冷却する方法

レット・アレイン

今年の夏は記録的な暑さで、おそらく今後もさらに暑くなるでしょう。 エアコンはあればいいものではなく、必需品であるという段階に来ているように感じます。 冷却にはいくつかの方法がありますが、最も一般的な方法はコンプレッサーと冷媒を使用することです。 ただし、これらの従来の AC ユニットは修理が難しく (そして高価で)、かなりの電力を消費します。 2022 年の米国では、国のエネルギー使用量の 10 パーセントが空気の冷却に当てられていました。 それは多いです。

私たちは熱を減らす別の方法を本当に考える必要があります。 物体の温度を下げる別の方法があります。エネルギーや燃料も必要ありません。 それを放射冷却といいます。 適切な材料を使用すると、物体が吸収するよりも多くのエネルギーを放射し、その温度を数度下げることができます。 信じられないほどできすぎているように思えますが、いくつかの非常に優れた物理学のアイデアのおかげで機能します。

すべてのものは光を発します。つまり、すべてのものは熱エネルギーを伝達できるということです。 奇妙に聞こえるかもしれませんが、電球について考えてみましょう。 オブジェクトを発光させる方法はいくつかありますが、最も簡単な方法は、オブジェクトを非常に熱くすることです。 これは従来の白熱電球で起こっていることです。電球内のフィラメントに電流が流れ、フィラメントが非常に熱くなって光ります。 （その温度は華氏約3,600度です。）シンプルだからこそ、この種の電球が100年以上も存在し続けているのです。

しかし、ジャガイモやお気に入りの靴、ドアノブなど、それほど熱くないものはどうでしょうか? はい、それらは一種の光も生成します。

光は電磁波であり、これらの波はすべて光の速度 (3 x 108 m/s) で伝わりますが、波長が異なることに注意してください。 この電磁波の波長が 400 ～ 700 ナノメートルの場合、これを可視光と呼び、人間の目で検出できます。 そのジャガイモ（室温で）は、最大強度が 9.8 マイクロメートルの電磁波を発生します。 電磁スペクトルのこの領域を赤外光と呼びます。 目で検出することはできませんが、赤外線カメラで画像を生成することができます。

これは私の犬の例です。 彼は周囲よりも少し暖かいため、わずかに異なる波長の光を生成します。 これは、赤外線画像では、彼が背景に溶け込むだけではないことを意味します。

アンディ・グリーンバーグ

ゴフェン・ムプトゥブウェレ

ジュリアン・チョッカトゥ

マット・サイモン

オブジェクトが他のオブジェクトと熱相互作用を起こす方法は 3 つあります。 最も一般的な方法は熱伝導によるものです。 これは、冷たいソーダの缶を手に持つときのように、温度の異なる 2 つの物体が接触し、熱エネルギーが暖かい物体から冷たい物体に伝わるときに起こります。 缶は温まり、手は冷えます。

次の熱伝達方法は対流であり、これは気体と流体にのみ機能します。 例として空気を使用してみましょう。 コンロのような熱源があるとします。 ストーブバーナー近くの空気は、熱伝導相互作用によって温度が上昇します。 この熱い空気は、その上の冷たい空気よりも密度が低くなります。 気温は上昇し、代わりに冷たい空気が流入します。 次に、熱い空気はその上にあるもの、たとえば天井などと熱伝導の相互作用を起こす可能性があります。 ストーブから天井への熱の間接的な伝達は対流です。

3 番目のタイプの熱相互作用は輻射です。これが私たちが本当に望むものです。 熱い物体が赤外線を放射すると、その放射は他の物体に吸収される可能性があります。 これがまさにオーブンの仕組みです。 中に調理したいものを入れると、発熱体が非常に熱くなり、熱放射が発生します。 （そうです、赤外線と同じです。）食品はこれを吸収して温度が上昇します。