飞机上温度对人体的影响，为什么机器在高温下不能正常工作

据《Popular Science》报道，近日，两位工程师解释了热浪如何威胁从汽车到电脑到手机等一切设备背后的物理学原理。

在一个炎热的夏季，不仅是人需要保持凉爽。包括手机、数据中心、汽车和飞机在内的许多机器在极端高温下效率会降低，而且退化得更快。机器也会产生自己的热量，这会使周围的气温变得更热。

作为工程研究人员，研究机器如何管理热量，以及如何有效地回收和再利用被浪费的热量是非常有意义的事。通常，极端高温对机器的影响有几种方式（There are several ways extreme heat affects machines.）。

没有一台机器是效能完美的（perfectly efficient ）——所有机器在运行过程中都会遇到一些内部摩擦（internal friction）。这种摩擦使机器散发一些热量，所以外面越热，机器就会越热。

一些使用锂离子电池的手机和类似电子设备在95华氏度(35摄氏度)以上的气温下会停止工作——这是为了避免过热和增加电子设备的压力（this is to avoid overheating and increased stress on the electronics）。

使用创新的相变流体（phase-changing fluids）的冷却设计可以帮助机器保持凉爽，但在大多数情况下，热量最终仍然散发到空气中。所以，空气越热，就越难保持机器足够的凉爽以有效运行。

另外，机器之间的距离越近，周围区域散发的热量就越多。

材料变形

较高的温度，无论是来自天气还是来自机械辐射的多余热量，都可能导致机械中的材料变形。为了理解这一点，考虑一下温度在分子水平上的含义（To understand this, consider what temperature means at the molecular level）。

在分子尺度上，温度是分子振动程度的量度。因此，温度越高，构成从空气到地面再到机械材料的所有物质的分子就会振动得越多。

随着温度的升高和分子振动的增加，它们之间的平均间距也会增大，导致大多数材料在受热时膨胀。道路是一个可以看到这一点的地方——热混凝土膨胀，收缩，最终开裂。这种现象也可能发生在机械上，而热应力只是问题的开始（and thermal stresses are just the beginning of the problem）。

旅行延误和安全风险

高温还会改变汽车发动机机油的运行方式，导致潜在的发动机故障。例如，如果热浪使温度比正常温度高30华氏度(16.7摄氏度)，那么一般汽车的发动机油的粘度或厚度就会发生三倍的变化。

像发动机油这样的液体在加热时会变薄，所以如果太热，机油可能变得不够厚，无法正常润滑和保护发动机部件免受磨损。

此外，炎热的天气会使轮胎内的空气膨胀，增加轮胎气压，从而增加磨损和打滑的风险（increases the tire pressure, which could increase wear and the risk of skidding）。

飞机也不能在极端高温下起飞。随着室外温度的升高，空气开始膨胀，占据了比以前更多的空间，从而使空气更薄或密度降低。空气密度的降低降低了飞机在飞行过程中能够承受的重量，这可能导致严重的旅行延误或航班取消。

电池续航退化

一般来说，手机、个人电脑和数据中心等设备中的电子设备由多种材料组成，这些材料对温度变化的反应各不相同。这些材料都被放置在紧密的空间中彼此相邻。因此，随着温度的升高，不同种类的材料变形不同，可能导致过早磨损和失效。

汽车和普通电子产品中的锂离子电池在较高的工作温度下性能下降得更快。这是因为高温会加快电池内的反应速度，包括耗尽电池中锂的腐蚀反应（including corrosion reactions that deplete the lithium in the battery）。

此过程会耗尽其存储容量。最近的研究表明，电动汽车在持续90华氏度（32.2摄氏度）的天气下行驶，续航里程可能会减少20%。

数据中心是堆满了存储数据的服务器的建筑物，它们需要大量散热以保持组件的冷却。在非常热的天气里，风扇必须更努力地工作以确保芯片不会过热。在某些情况下，风力强大的风扇也不足以冷却电子设备。

为了保持数据中心的凉爽，从外面进入的干燥空气通常会首先通过潮湿的垫子送入中心。来自垫子的水蒸发到空气中，吸收热量，从而冷却空气。这种技术称为蒸发冷却，通常是将芯片保持在合理的工作温度下的一种经济有效的方法。

然而，蒸发冷却（evaporative cooling）需要大量的水。在缺水地区，这个问题是个问题。冷却用水会增加与数据中心有关的本来就紧张的资源占用（Water for cooling can add to the already intense resource footprint associated with data centers）。

苦苦挣扎的空调

在人们最需要空调的时候，却因为户外越来越热而导致空调难以有效运行。在炎热的天气里，空调压缩机不得不更加努力地将室内的热量输送到室外，这反过来又不成比例地增加了用电量和整体电力需求。

例如，在美国德克萨斯州，气温每上升1.8华氏度(1摄氏度)，电力需求就会上升约4%（For example, in Texas, every increase of 1.8 degrees F (1 degree C) creates a rise of about 4 percent in electricity demand）。

在炎热的国家，高温导致夏季电力需求增加了惊人的50%，造成了电力短缺或停电的严重威胁，加上温室气体排放增加。

如何防止热损耗

全球范围内的热浪和变暖给人类和机器带来了重大的短期和长期问题。幸运的是，你可以做一些事情来减少伤害（Fortunately, there are things you can do to minimize the damage）。

首先，确保机器放置在有空调、隔热良好的空间内，或者避免阳光直射（First, ensure that your machines are kept in an air-conditioned, well-insulated space or out of direct sunlight）。

其次，考虑使用高能耗设备，如空调，或者在用电人少的非高峰时段给电动汽车充电。这有助于避免当地电力短缺。

循环利用热量

科学家和工程师们正在研究如何利用和回收机器散发的大量热量。一个简单的例子是利用数据中心的废热来加热水（One simple example is using the waste heat from data centers to heat water.）。

废热（waste heat）也可以驱动其他类型的空调系统，例如吸收式制冷机，它实际上可以通过一系列的化学和热传递过程将热量用作支持制冷机的能量。

无论哪种情况，加热或冷却物体所需的能量都来自于被浪费掉的热量。事实上，假设发电厂的余热可以满足27%的住宅空调需求，这将减少整体能源消耗和碳排放。

总而言之，极端高温会影响现代生活的方方面面，热浪在未来几年都不会消失。然而，我们也要抓住机会利用极端高温，让极端高温产生的热量也能为我们服务。