今年夏天是有記錄以來的最熱的夏天之一，而且可能會(huì)越來越熱。筆者認(rèn)為如今的空調(diào)已經(jīng)不僅僅是生活好物，而成為了必需品。空調(diào)降溫的方法有很多，最常見的方法是使用壓縮機(jī)和制冷劑。然而，這種傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)備維修困難（而且貴），耗電量也相當(dāng)大。2022 年，美國(guó)有 10% 的能源用于冷卻空氣，這可不是一個(gè)小數(shù)字。

我們確實(shí)有必要考慮其他降溫的方法。有一種降低物體溫度的方法，甚至不需要能量或燃料 —— 那就是輻射冷卻。通過使用合適的材料，你可以讓物體輻射的能量多于它吸收的能量，從而將溫度降低幾度。這聽起來像是在說大話，但它確實(shí)是真的，而這要?dú)w功于一些非常酷的物理學(xué)理念。

萬物都能發(fā)光

萬物都能發(fā)光，這意味著萬物都能傳遞熱能。聽起來可能很奇怪，但別著急，讓我們先從燈泡開始思考。現(xiàn)在已有幾種方法可以讓物體發(fā)光，其中最簡(jiǎn)單的方法就是讓它變得超級(jí)熱。這就是傳統(tǒng)白熾燈泡發(fā)光的原理：電流通過燈泡內(nèi)的燈絲，使燈絲發(fā)熱發(fā)光（這個(gè)溫度約為 3,600 華氏度，即 1,982 攝氏度）。因?yàn)槠湓砗芎?jiǎn)單所以這種燈泡已經(jīng)存在 100 多年了。

但是，對(duì)于那些溫度不是很高的東西呢，比如土豆，你最喜歡的一雙鞋，或是門把手？答案是肯定的，它們也會(huì)產(chǎn)生一種光。

別忘了，光是一種電磁波，所有的電磁波都以光速（3 x 108 m/s）傳播，但波長(zhǎng)是不同的。當(dāng)電磁波的波長(zhǎng)在 400 納米到 700 納米之間時(shí)，我們就稱之為可見光，人眼就可以探測(cè)到它。土豆（在室溫下）產(chǎn)生的電磁波的最大強(qiáng)度為 9.8 微米，我們稱這一電磁波譜區(qū)域的電磁波為紅外光。人們無法用眼睛探測(cè)到它，但可以用紅外攝像機(jī)生成圖像。

以筆者的狗子為例。由于它的體溫比周圍的環(huán)境稍高，因此產(chǎn)生的光波長(zhǎng)也略有不同。這意味著在紅外圖像中，它會(huì)凸顯出來而不會(huì)混入背景中。

物體之間有三種傳熱方式。最常見的方式是熱傳導(dǎo)。當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體接觸時(shí)，熱量就會(huì)從溫度較高的物體傳遞到溫度較低的物體。比如你用手握著一罐冰蘇打水，罐子會(huì)變熱，而你的手會(huì)變涼。

第二種傳熱方式是對(duì)流，這種方式只適用于流體（即氣體和液體）。讓我們以空氣為例。假設(shè)你有一個(gè)像爐灶這樣的熱源，通過熱傳導(dǎo)作用，爐灶附近的空氣溫度會(huì)升高。現(xiàn)在，爐灶附近的較熱的空氣密度低于遠(yuǎn)離爐灶上方較冷的空氣密度。熱空氣將上升，冷空氣將下沉到熱空氣原來的位置。然后，熱空氣又會(huì)與所在空間上方的東西（比如天花板）發(fā)生熱傳導(dǎo)作用。從爐子到天花板的間接熱傳遞就是對(duì)流。

第三種傳熱方式是輻射，這才是我們真正想討論的。當(dāng)一個(gè)熱物體發(fā)出紅外輻射時(shí)，這種輻射會(huì)被其他物體吸收。這正是烤箱的工作原理。你把想烤的東西放在烤箱里面，烤箱里面的加熱元件就會(huì)變得非常熱，產(chǎn)生熱輻射（沒錯(cuò)，就是紅外線）。食物吸收了熱輻射，溫度就會(huì)升高。

現(xiàn)在想象一下，你把烤箱預(yù)熱，然后關(guān)上電源，再把一個(gè)土豆放進(jìn)去。熱烤箱發(fā)出熱輻射，而土豆吸收了大部分熱輻射。結(jié)果是土豆變熱，烤箱變冷。這并不是烤土豆的正常方法，但這里的重點(diǎn)是，當(dāng)物體（烤箱）產(chǎn)生熱輻射時(shí)，它們就會(huì)冷卻下來。

但是假如我們周圍的所有東西都在發(fā)出紅外線電磁輻射，那么周圍一切按此理說不都應(yīng)該在變冷嗎？其實(shí)不然。如果你把一個(gè)蘋果放在桌子上，它會(huì)發(fā)出熱輻射。但它同時(shí)也會(huì)吸收其他物體的輻射：桌子、空氣、墻壁。因此，當(dāng)同一區(qū)域附近的所有物體均已達(dá)到相同溫度時(shí)，它們并不會(huì)因?yàn)檩椛涠兝洹?/p>

反射率 vs. 發(fā)射率

要完全理解輻射冷卻的原理，還需要考慮另一個(gè)非常重要的性質(zhì)：反射率和發(fā)射率之間的區(qū)別。想象你有一面完美的鏡子。所有照射到它的光線都會(huì)被反射出去。這面鏡子的反射率為 1，這意味著照射到它的光線百分之百都會(huì)被反射出去。

鋁箔也能反射大量光線，但不是所有光線。它的反射率可能在 0.88 左右，也就是說，照射到鋁箔的 88% 的光會(huì)被反射。落在鋁箔上的其他 12% 的光會(huì)被吸收，從而提高鋁箔的溫度。

現(xiàn)在想象一個(gè)完全不反射光的物體。當(dāng)然，它仍然會(huì)發(fā)光，但只是由溫度導(dǎo)致的發(fā)光，而不是由于反射。這個(gè)物體的發(fā)射率為 1，我們稱之為“完美黑體”，即它能吸收所有電磁輻射。因此，發(fā)射率本質(zhì)上與反射率相反。

反射率和發(fā)射率都取決于光的波長(zhǎng)。在可見光譜（波長(zhǎng) 400-700 納米）中反射率不高的物體，并不意味著它在紅外線波長(zhǎng)（10 微米左右）中也有同樣低的反射率。再看看上面這只狗的紅外圖像。你注意到它在地板上的反光了嗎？在可見光譜中，地板的反射率并不高，但在紅外線中，地板的反射率卻很高。

下面是另一種觀察反射表面和發(fā)射表面差異的方法。下面是兩個(gè)鋁罐在室溫下的紅外圖像。唯一不同的是，右邊的罐子側(cè)面貼有遮蔽膠帶，但頂部沒貼。膠帶阻止了右邊的罐子反射紅外光，這意味著這兩個(gè)物體除了發(fā)射率之外是完全相同的（你可以看到筆者的手碰到了右邊罐子的頂部）。

左邊的普通鋁罐在紅外區(qū)域的反射率非常高。雖然顯示為橙色的部分看起來溫度較高，但實(shí)際上這并不是罐子本身發(fā)出的熱量，而是筆者的手接觸另一只罐子時(shí)發(fā)出的熱量的紅外反射。

筆者把膠帶貼在右邊的罐子上，就是為了提高它的發(fā)射率。因?yàn)槟z帶不會(huì)反射紅外線，所以你看到的顏色只是基于罐子的溫度，而不是來自于其他高溫物體，比如筆者的手（因?yàn)橛覀?cè)罐子的最頂端沒有貼膠帶，所以那部分的反射率仍然很高。這就是為什么你還能看到一個(gè)橙色的斑點(diǎn)，這是反射的手的熱量）。

這里還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活的例子：在炎熱的晴天，穿白色衣服好還是黑色衣服好？白襯衫（反射率高）能反射更多的陽(yáng)光，不會(huì)那么熱。而黑衣服（發(fā)射 / 輻射率高）則會(huì)吸收大部分光線，變得很熱。因此，一般情況下最好穿白色衣服 —— 盡管在某些特殊的情況下，黑色衣服實(shí)際上可能更涼爽。

太空是冰冷的

您可能已經(jīng)體驗(yàn)過的一種輻射冷卻：在冬天，你可以通過觀察天空來判斷今晚是否寒冷。在萬里無云的夜晚，地面會(huì)以紅外線的形式輻射能量，這種能量的損失會(huì)使地面明顯變冷。并不是所有的能量都能損失：大氣中的二氧化碳會(huì)捕獲一些波長(zhǎng)的紅外線，而這就是溫室效應(yīng)的原理。但有一小部分波長(zhǎng)的紅外線，即波長(zhǎng)在 8 到 13 微米之間的紅外線，可以穿過大氣層進(jìn)入太空（這個(gè)范圍被稱為“紅外窗口”）。

這個(gè)判斷晚上是否寒冷的辦法只有在萬里無云的夜晚才有用。因?yàn)樵茖訒?huì)阻擋紅外窗口，能量會(huì)被反射回地面。因此，地面會(huì)保持溫暖。這就像地球披上了由蓬松云層制成的紅外毯。

另外，它在白天不起作用。白天確實(shí)有熱輻射，可以降低一些物體的溫度。但是還有一個(gè)大熱源 — 太陽(yáng)。太陽(yáng)光對(duì)物體的加熱效果遠(yuǎn)大于物體向外輻射的冷卻效果。因此，所有東西都會(huì)變熱。

這里我們考慮一個(gè)比較特殊的假設(shè)：地球上存在一個(gè)正在獨(dú)自冷卻的物體。這似乎違反了物理定律，因?yàn)槌沁@個(gè)物體讓其他東西變熱，否則它是不會(huì)變冷的。例如，空調(diào)通過加熱室外空氣來冷卻室內(nèi)空氣；冰柜里的一罐蘇打水溫度降低是因?yàn)樗車谋鶋K溫度升高并融化了。

因此，當(dāng)一個(gè)物體通過輻射降溫時(shí)，一定會(huì)有其他物體溫度升高。這個(gè)升溫的物體就是太空。發(fā)射到太空中的輻射最終可能會(huì)抵達(dá)月球，使月球溫度升高 —— 也可能永遠(yuǎn)向外傳播。

輻射冷卻板

在陽(yáng)光普照的情況下，有可能讓物體變得比環(huán)境溫度更冷嗎？當(dāng)然可以。您可以制作一個(gè)輻射冷卻板。這是一個(gè)在可見光譜中具有高反射率（以防止陽(yáng)光使其變熱）和高紅外發(fā)射率（尤其是 8 至 13 微米波長(zhǎng)）的平板?？梢姽鈺?huì)從物體上反射，從而不會(huì)導(dǎo)致物體加熱，而紅外線輻射則會(huì)使物體溫度降低。反射的可見光和紅外線輻射都會(huì)進(jìn)入太空 (也許在某一時(shí)刻，它們會(huì)輻射到另一顆行星，導(dǎo)致其升溫 —— 但這并不是我們需要擔(dān)心的問題）。

有幾種方法可以使輻射冷卻板發(fā)揮作用。一種非常簡(jiǎn)單的方法是在反光鋁材上使用透明膠帶。可見光穿過透明膠帶，然后從鋁箔上反射（因此鋁箔具有高反射率），但透明膠帶也能讓材料發(fā)射紅外線（即提高發(fā)射率）。這很簡(jiǎn)單，筆者自己嘗試了一下。下面是一張鋁箔紙的可見光圖像和紅外圖像，鋁箔紙上有一條寬透明膠帶和一條細(xì)透明膠帶。

請(qǐng)注意，在可見光下，鋁箔非常閃亮，你不容易看到貼有膠帶的部分。在紅外線光譜中，普通的箔片看起來很暗，因?yàn)樗?strong>只反射了天空中的紅外線（它的發(fā)射率不高）。然而，貼有膠帶的部分看起來更熱，表明它確實(shí)讓鋁箔輻射出了的熱量。這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上并沒有使鋁箔變得比空氣溫度更冷，因?yàn)橄旅鏌岵莸氐募訜嵝Ч赡鼙容椛淅鋮s效果更強(qiáng) —— 但筆者認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有可能成功的。

實(shí)際上 3M 公司生產(chǎn)了一種輻射冷卻膠帶，它的效果與鋁箔加膠帶的方法類似（但可能更好）。

另一種方法是使用一種特殊的白色涂料。這種油漆在可見光譜中具有很強(qiáng)的反射率，但在紅外線中卻具有較高的發(fā)射率。有幾段很棒的視頻展示了它的工作原理和制作方法。這里有一個(gè)來自 Tech Ingredients 的視頻。他的方法似乎很有效，但如果沒有實(shí)驗(yàn)室，你很難制作出來。NightHawkInLight 有一種不同版本的輻射涂料，你也許可以在普通廚房里制作。

另一種選擇是使用納米粒子或水凝膠等更復(fù)雜的材料。還可以制作反射可見光和輻射紅外線的衣服。

輻射冷卻還有兩個(gè)非常酷的應(yīng)用。你可以利用較冷的輻射冷卻板和較熱的地面之間的溫差，用熱電發(fā)電機(jī)發(fā)電（這就像一個(gè)在夜間也能工作的太陽(yáng)能板）。也可以利用輻射冷卻產(chǎn)生的溫差直接從空氣中凝結(jié)水，就像塔圖因星球（《星球大戰(zhàn)》中的沙漠星球）上的濕氣蒸發(fā)器一樣。

最重要的是，所有這些應(yīng)用都是零電力輸入。這就像從太空免費(fèi)降溫。這些方法都不足以取代空調(diào)，因?yàn)樗鼈冎荒芙禍貛锥取５捕嗌儆悬c(diǎn)作用，是吧？

作者：RHETT ALLAIN

翻譯：七號(hào)機(jī)

審校：掃地僧

原文鏈接：How to Cool an Object Without Using Any Energy

本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：RHETT ALLAIN

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總結(jié)

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