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生活观察促进热科学进步

■张宇宁

冰和水是生活中常见的两种物质。大家都知道，在烧开水的过程中，持续不断地给水进行加热，从而使得水的温度逐步升高，其所吸收的热量转变为水的温度的提升。对冰水混合物进行加热，其过程自然是一样的，可以用温度计测量混合物温度的变化。不同的是，在加热冰水混合物的过程中，混合物所吸收的热量使得冰发生相变进而转变为水，故而混合物的温度在冰融化之前几乎保持不变，一直维持在零摄氏度左右。

这看似普通的甚至被人忽视的生活现象，在英国化学家、物理学家约瑟夫·布莱克眼中有了不同的意义。正是基于上述观察，他在18世纪提出了“潜热”这一至关重要的热科学概念，后续引发了一系列热科学的蓬勃发展和技术进步。

在水被加热的过程中，其所吸收的热量可以通过比热、质量、所提升的温度三者相乘来进行计算。而当冰在被加热的过程中，如果因发生相变而由冰变为液态水，则其所吸收的热量需要用潜热与质量相乘进行计算，但其温度并不发生变化。

水因为低温而结冰的过程与此类似，只不过在此过程中水会放出热量，且与冰融化变为水所需要吸收的热量相等。在自然界，上述规律具有一定的普遍性。

布莱克将上述热量命名为“潜热”，以便将这些未能够引起物质温度发生显著变化的热量与其他热量进行区分。

潜热的一个重要应用是利用干冰进行人工降雨。干冰是固态的二氧化碳，在工业领域有着广泛的应用。受气象条件和云层中含水量等的限制，部分云层无法实现自然降雨。人工降雨的目的是为了缓解农田干旱或者增加水库灌溉水量等。

具体而言，根据当地气象条件，采用飞机、火箭等向云中播撒干冰等物质。在进入云层之后，干冰会从周围环境中迅速吸收大量的热量而转变为气态，从而为其周围的云创造较好的低温环境，有利于水滴的凝结。在部分情形下，水滴还会进一步凝结为微小的冰晶，从而使得更多的水蒸气在其表面上凝结，最终形成降雨。

潜热的另一个重要的应用是建筑领域中的相变微胶囊。因为物质可以通过相变过程较为方便地吸收或者放出大量热量，潜热的有效利用对于建筑的节能尤为重要。为了方便进行精确控制，可以将相变材料封装在体积较小的微胶囊中从而形成相变微胶囊颗粒。

常见的微胶囊壳体的材料包括脲醛树脂等，相变材料一般为石蜡等潜热较高的材料。一方面，微胶囊的使用有效地抑制了相变过程中相变材料的损失，另一方面，也可以有效地防止相变材料对周围产生污染。

在使用的过程中，将大量的相变微胶囊较为合理地嵌入到建筑的墙体涂料中，从而实现对室内温度的有效调控。白天温度较高时，微胶囊内的相变材料通过相变吸收大量的热量，从而保持室内的凉爽。夜晚温度较低时，微胶囊内的相变材料通过相变释放其所存储的热量，从而提升室内的保暖性能。这样，建筑的整体能源消耗就会显著下降。

值得一提的是，相变储热材料在太阳能热利用的过程中发挥着重要的作用。为了确保太阳能热电站的连续运行并进行较为灵活的参数调节，太阳能热电站通常需要配备规模与其发电机组相适应的储热系统和装置，以确保电站在夜晚或者阴天等条件下依然可以稳定运行并输出电力。

在较为成熟的商业示范电站实际运行过程中，一般采用相变材料作为储热介质，以便最大程度地吸收和存储太阳的能量并进行后续的有序释放和发电。

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《中国科学报》 (2020-12-31 第8版 博客)

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