Come raffreddare un oggetto senza utilizzare energia

Rhett Allain

Quest'estate è stata calda, una delle più calde mai registrate, e probabilmente continuerà a diventare ancora più calda. Sento che stiamo arrivando al punto in cui l'aria condizionata non è solo qualcosa di bello da avere, è una necessità. Esistono diversi modi per raffreddare le cose, ma il metodo più comune è utilizzare un compressore e un refrigerante. Tuttavia, queste unità AC tradizionali sono difficili (e costose) da riparare e consumano una certa quantità di elettricità. Per gli Stati Uniti nel 2022, il 10% del consumo energetico nazionale è stato destinato al raffreddamento dell’aria. Questo è molto.

Dobbiamo davvero pensare a modi alternativi per ridurre il calore. Esiste un altro modo per diminuire la temperatura di un oggetto e non richiede nemmeno energia o carburante. Si chiama raffreddamento radiativo. Usando i materiali giusti, puoi fare in modo che un oggetto irradi più energia di quanta ne assorbe, abbassando la sua temperatura di qualche grado. Sembra troppo bello per essere vero, ma funziona, grazie ad alcune idee fisiche davvero interessanti.

Tutto emette luce e ciò significa che tutto può trasferire energia termica. Potrebbe sembrare strano, ma cominciamo pensando alle lampadine. Esistono diversi modi per far sì che un oggetto emetta luce, ma il metodo più semplice è semplicemente riscaldarlo. Questo è ciò che accade con le tradizionali lampadine a incandescenza: una corrente elettrica scorre attraverso un filamento all'interno della lampadina e rende il filamento così caldo da farlo illuminare. (Quella temperatura è di circa 3.600 gradi Fahrenheit.) È semplice, ecco perché quel tipo di lampadina esiste da più di 100 anni.

Ma che dire delle cose che non sono super sexy, come una patata, il tuo paio di scarpe preferite o una maniglia? Sì, producono anche un tipo di luce.

Ricorda che la luce è un'onda elettromagnetica e tutte queste onde viaggiano alla velocità della luce (3 x 108 m/s) ma con lunghezze d'onda diverse. Se la lunghezza d'onda di questa onda elettromagnetica è compresa tra 400 e 700 nanometri, allora la chiamiamo luce visibile ed è rilevabile con gli occhi umani. Quella patata (a temperatura ambiente) produce onde elettromagnetiche con la massima intensità a 9,8 micrometri. Chiamiamo questa regione dello spettro elettromagnetico luce infrarossa. Non puoi rilevarlo con i tuoi occhi, ma possiamo produrre un'immagine con una telecamera a infrarossi.

Ecco un esempio del mio cane. Poiché è un po' più caldo dell'ambiente circostante, produce lunghezze d'onda della luce leggermente diverse. Ciò significa che in un'immagine a infrarossi non si confonde semplicemente con lo sfondo.

Andy Greenberg

Ngofeen Mputubwele

Giuliano Chokkattu

Matt Simone

Esistono tre modi in cui gli oggetti possono avere un'interazione termica con altri oggetti. Il metodo più comune è attraverso la conduzione del calore. Ciò accade quando due oggetti di diversa temperatura sono in contatto e l'energia termica viene trasferita dall'oggetto più caldo a quello più freddo, come quando si tiene in mano una lattina di soda fredda. La lattina si riscalda e la tua mano si raffredda.

Il successivo metodo di trasferimento del calore è la convezione e funziona solo con gas e fluidi. Usiamo l'aria come esempio. Supponiamo di avere una fonte di calore come un piano cottura. L'aria vicino al bruciatore della stufa aumenterà di temperatura attraverso un'interazione di conduzione del calore. Quest’aria più calda ora avrà una densità inferiore rispetto all’aria più fredda sopra di essa. Aumenterà e l'aria più fredda prenderà il suo posto. Quindi l'aria calda può avere un'altra interazione di conduzione del calore con le cose sopra di essa, come forse il soffitto. Il trasferimento indiretto del calore dalla stufa al soffitto è per convezione.

Il terzo tipo di interazione termica è la radiazione, ed è quella che vogliamo veramente. Quando un oggetto caldo emette radiazioni infrarosse, tale radiazione può essere assorbita da altri oggetti. Questo è esattamente il modo in cui funziona il tuo forno. Metti dentro le cose che vuoi cucinare e gli elementi riscaldanti diventano molto caldi, producendo radiazioni termiche. (Sì, è come gli infrarossi.) Il cibo li assorbe e aumenta la temperatura.