機械は常に熱に耐えられるわけではありません - 2 人のエンジニアが、熱波が車からコンピューターに至るまであらゆるものを脅かす仕組みの背後にある物理学を説明します

Feb 23, 2024

投稿者: Norhasnima Dimacaling 2023 年 8 月 30 日

ジョージア工科大学のスリニバス・ガリメラ氏とマサチューセッツ工科大学（MIT）のマシュー・T・ヒューズ氏による [この記事は、The Conversation に初めて掲載され、許可を得て再掲載されました]

特に記録的な猛暑の夏には、涼しく過ごす必要があるのは人々だけではありません。 携帯電話、データセンター、自動車、飛行機などの多くの機械は、極度の高温下では効率が低下し、より早く劣化します。 機械は自らも熱を発生するため、周囲の高温がさらに高温になる可能性があります。

私たちは、機械が熱をどのように管理するか、また廃棄される熱を効果的に回収して再利用する方法を研究する工学研究者です。 極度の熱がマシンに与える影響はいくつかあります。

完全に効率的な機械は存在しません。すべての機械は動作中にある程度の内部摩擦に直面します。 この摩擦によって機械はある程度の熱を放散するため、屋外が暑ければ暑いほど、機械の温度も高くなります。

リチウムイオン電池を搭載した携帯電話や類似の機器は、華氏 95 度 (摂氏 35 度) を超える気候で動作すると同様に動作しなくなります。これは、過熱や電子機器へのストレスの増大を避けるためです。

革新的な相変化流体を使用した冷却設計は、機械を低温に保つのに役立ちますが、ほとんどの場合、熱は依然として最終的に空気中に放散されます。 したがって、空気が熱くなればなるほど、マシンを効率的に機能するのに十分な温度に保つことが難しくなります。

さらに、マシン同士が近づくほど、周囲の領域でより多くの熱が放散されます。

天候や機械から放射される過剰な熱によって温度が上昇すると、機械内の材料が変形する可能性があります。 これを理解するには、温度が分子レベルで何を意味するのかを考えてみましょう。

分子スケールでは、温度は分子がどの程度振動しているかを表します。 そのため、気温が高くなるほど、空気から地面、機械の材料に至るまで、あらゆるものを構成する分子の振動が大きくなります。

金属が加熱されると、その中の分子はより速く振動し、それらの間の空間はより遠くに移動します。 これにより金属が膨張します。

温度が上昇して分子の振動が増えると、分子間の平均間隔が広がり、ほとんどの材料が加熱すると膨張します。 道路もこれが見られる場所の 1 つです。熱いコンクリートが膨張し、収縮し、最終的には亀裂が入ります。 この現象は機械でも発生する可能性があり、熱応力は問題の始まりにすぎません。

高温により車のエンジン内のオイルの動作が変化し、エンジン故障の可能性が生じる可能性があります。 たとえば、熱波により気温が通常より 30 度 (16.7 度) 高くなると、一般的な自動車のエンジン オイルの粘度 (つまり粘度) が 3 倍変化する可能性があります。

エンジン オイルなどの液体は加熱すると薄くなるため、高温になりすぎると、適切に潤滑してエンジン部品を摩耗の増加から保護するのに十分な粘度がオイルに得られなくなる可能性があります。

さらに、暑い日にはタイヤ内の空気が膨張してタイヤの圧力が上昇し、摩耗が増加し、横滑りの危険性が高まります。

飛行機は極端な温度で離陸するように設計されていません。 外が暑くなると、空気が膨張し始め、以前よりも多くのスペースを占有し、空気が薄くなったり、密度が低くなります。 この空気密度の減少により、飛行機が飛行中にサポートできる重量が減少し、大幅な旅行の遅延やフライトのキャンセルが発生する可能性があります。

一般に、携帯電話、パソコン、データセンターなどの機器に含まれる電子機器は、温度変化に対してそれぞれ異なる反応を示す多くの種類の材料で構成されています。 これらのマテリアルはすべて、狭いスペースに隣り合って配置されています。 そのため、温度が上昇すると、材料の種類によって変形が異なり、早期の摩耗や故障につながる可能性があります。

自動車や一般電子機器に搭載されているリチウムイオン電池は、動作温度が高くなると劣化が早くなります。 これは、温度が高くなると、バッテリー内のリチウムを枯渇させる腐食反応など、バッテリー内の反応速度が増加するためです。 このプロセスにより、ストレージ容量が消耗します。 最近の研究によると、電気自動車は華氏 90 度の天候にさらされ続けると航続距離が約 20% 失われる可能性があります。