如果一种新型热泵能够实现其承诺，那么在空调和冰箱中使用对环境有害的气体可能会变得多余。上周在《科学》杂志上发表的一项研究中描述的原型，使用电场和一种特殊的陶瓷，而不是交替汽化制冷剂流体，并用压缩机冷凝它来加热或冷却空气。
英国剑桥大学的材料科学家尼尔·马图尔说，这项技术结合了许多现有技术，并具有“卓越的性能”。
卢森堡贝尔沃的卢森堡科学技术研究所的材料科学家伊曼纽尔·德费及其合作者用一种具有强电卡效应的陶瓷制造了他们的实验装置。表现出这种效应的材料在暴露于电场时会升温。
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在电卡材料中，原子具有电极化——电子分布略有不平衡，这使得这些原子具有“正”极和“负”极。
当材料被单独放置时，这些原子的极化会不断地在随机方向上旋转。但是，当材料暴露于电场时，所有静电极会突然对齐，就像头发向一个方向梳理一样。德费解释说，这种从无序到有序的转变意味着电子的熵——物理学家衡量无序程度的方式——突然下降。
但是热力学定律表明，系统的总熵永远不会下降，因此如果它在某个地方下降，则必须在其他地方增加。“材料摆脱这种额外混乱的唯一可能性是将其倾倒到其晶体结构的晶格中，”他说。这种额外的无序意味着原子本身开始更快地振动，从而导致温度升高。
然后，研究人员通过在电卡材料板之间流动流体来去除热量，同时保持电场开启。结果是，板回到原始的环境温度，但具有较低的极化熵。如果研究人员随后关闭电场，它会产生相反的效果：极化再次变得混乱，熵从陶瓷的原子晶格中倾泻而出，带走热量。结果是，晶格变得比环境温度更冷，并且可以冷却在板之间泵送的流体。然后循环重新开始。
在冰箱或空调中，来自升温流体的热量将分散在环境中，而冷却的流体将用于保持内部或房间的凉爽。对于供暖，热泵将冷却外部环境，从中提取热量并泵入建筑物。
德费说，尽管这项技术尚未准备好商业化，但通过进一步改进，他的团队的电卡热泵的效率可以与现有热泵的效率相媲美。这是一个难以达到的标准，因为基于压缩机的热泵已经非常高效：例如，当用于建筑物供暖时，对于相同的电力消耗，它们可以产生比空间加热器多三倍或更多的热量。但是，与标准热泵不同，电卡热泵不需要氢氟碳化合物或氨等制冷剂，这些制冷剂可能对环境有害。德费补充说，而且由于它消除了对压缩机的需求，因此它有可能安装在更小、更简单的设备中。
本文经许可转载，最初于2023年11月20日首次发表。