硬核大叔用橡皮筋做冰箱，撸几下啤酒就凉了?

本文来自微信公众号：把科学带回家(ID：steamforkids)，作者：七君，头图来自：视觉中国

你知道吗，橡皮筋可以做冰箱，不信吗？你可以把女同学头上的橡皮筋扯下来试一试。如果你先把它拉长，它就会变热。再缩回来的话，就会变冷。

红外成像仪下，拉长的皮筋温度升高，回缩时温度降低。

用手指可能感受不出，还是用人体最敏感的部位——嘴唇来感受一下。

果然是这样对吧。如果你的嘴唇比较麻痹，你可以闻一下拉伸后的橡皮筋，是不是有那味儿了？那就是变热的橡皮筋发出的挥发物的味道。

好了，亲完橡皮筋，就可以把它还给目瞪口呆的女同学了。

这个原理除了增加和女生的社交距离以外还有什么实际用途呢？一个油管上的老哥就开始利用这个原理制造冰箱，原材料只有橡皮筋和木板。

他先设计了能够拉伸橡皮筋的齿轮，长这样子——

每根皮筋绕过中间的圆盘形成A形的捆绑，皮筋两端扎在相邻的齿轮上。这样一来，随着齿轮的旋转，皮筋一会儿拉紧，一会儿放松。图片来源：Applied Science

为了让空气流通，还在轴上装了2个小风扇——

橡皮筋的一半被拉伸，一半紧缩。拉伸的这一端更热，所以就被放在冰箱外面，紧缩的放在冰箱里面。

大叔这样手摇了几圈，在红外热成像仪下，橡皮筋冰箱内外温差大概是2摄氏度左右，厉害厉害。

还有一位光头大汉更猛，直接用橡皮筋把啤酒撸凉。

这位大哥制造的这个拉皮条机拉伸后可以升温10摄氏度，缩回原状时可以下降10摄氏度。于是他就用这个机器来冰啤酒了。

这样撸几下，啤酒表面就会从14摄氏度下降到12摄氏度。

图片来源：Joerg Sprave

当然，上述原理也可以逆向操作，不过结果是完全相反的。如果加热橡皮筋，它就会收缩，冷藏反而变长。

所以有些脑洞大开的人用橡皮筋制作了“自行”车轮。这个自行车上的辐条全用拉伸的橡皮筋替代了。看，它自己滚起来了——

图片来源：Adam Micolich

其实不是啦，橡皮筋被加热器加热后收缩，而没有被加热的橡皮筋还保持原样，这样一来两边一紧一松，张力不平衡了，于是轮轴开始转动。

所以，这到底是什么原理，为什么橡皮筋拉伸时会变热呢？其实，这个现象是在200年前被一位盲人科学家发现的。

1805年，因为天花而失去视力的英国科学家约翰·高夫（John Gough）很喜欢撸天然橡胶，撸完了还放嘴巴上摩擦，他就是这样发现了橡胶的这种性质。在大约50年后，焦耳对橡皮筋进行了进一步的研究，所以后来这种现象就被称为高夫-焦耳效应（Gough-Joule effect）。

热成像仪下橡胶制作的香肠气球的高夫-焦耳效应：吹大时变热，放气时变冷。图片来源：Chris Cramer

高夫-焦耳效应的原理直到20世纪30年代才被德国化学家赫尔曼·施陶丁格（Herman Staudinger）等人解开。闹太套男孩费曼也曾经被橡胶的这种性质迷住。

原来，橡胶好好呆着时，里面的长长的和挂面一样的分子互相缠绕在一起，但是它们很安静都不敢动。此时橡胶分子是无定形的。

自然状态的橡胶分子（左）和拉伸状态的橡胶分子（右）

当橡胶被拉伸时，橡胶分子开始变得有序，开始结晶。从无定形到结晶的过程释放出了能量，这种能量表现为分子的不安躁动。我们在中学就知道，分子越活跃，温度就越高，所以被拉伸的橡皮筋更热。

反过来，橡皮筋从拉伸状态回到自然状态时，橡胶分子经历了从晶体到无定形的转变，这个过程需要从环境吸热，所以回弹的橡皮筋是凉凉的。

后来在2013年发表在 American Journal of Physics 上的一项研究发现，橡皮筋的张力和它的升温相关，扯得越大的皮筋也越热。

显然，橡皮筋和我们平时说的热胀冷缩是矛盾的。从物理上来讲，热胀冷缩叫做有正的热膨胀系数，而橡皮筋皮筋有个负的热膨胀系数。

除了橡皮筋，许多物质都具有负的热膨胀系数，比如水，还有聚乙烯。水在3.984摄氏度以下就会热缩冷涨，所以水结冰后体积反而增加了。

聚乙烯因为也有负的热膨胀系数，所以聚乙烯垃圾袋也可以做放在太阳下就会一直转的光转轮——

所以负的热膨胀系数有什么用呢？

在制作精密仪器的时候，负的热膨胀系数和正热膨胀系数的材料常常被混搭，制造出热膨胀系数为0的混合物，这样就可以冷热不惊了。

你如果填过牙，你的龋齿里填的就是热膨胀系数被精心设计的物质。想象一下，如果填牙的材料会热胀冷缩，或热缩冷涨，那么边喝奶茶边吃火锅就和上刑一样，你估计就只能喝和体温一样的东西，比如新鲜体液了。所以说，填牙的材料的热膨胀系数接近牙釉质，而且不随温度显著变化。

现在一些科学家开始严肃思考橡皮筋制冷的可行性，因为冰箱制冷液带来的环境问题真的太严重了。这不，最近北极上空也出现了史上最大的由制冷气体导致的臭氧层空洞，面积已经发展到格陵兰岛的3倍大了。

NASA最近拍摄到的北极上空越来越大的臭氧空洞（蓝色），最近发展到格陵兰岛的3倍大。

2019年10月，天津南开大学的工程学家在 Science 上发表了一项研究，他们发现橡皮筋的制冷效果真的不错，而且用扭的比用拉的制冷效果还好。

他们拿来了橡皮筋、尼龙、聚乙烯鱼线、具有形状记忆的镍钛合金导线这几种具有弹性的材料，然后把它们不断缠绕，形成螺旋套螺旋的超螺旋。

这波操作后，几种不同的纤维中最强的升温了15摄氏度，解开回归原位时也下降了15摄氏度。

涂有热致变色染料的橡皮筋扭转及放松时随温度的变色。图片来源：（DOI）10.1126/science.aax6182

他们还测试了这几种纤维的制冷效果，结果发现它们的制冷效率和普通冰箱有的一拼。而且把这些纤维扭过以后，制冷效率是不扭只拉的2倍。

红外热成像仪下解螺旋的橡皮筋的温度变化。图片来源：（DOI）10.1126/science.aax6182

他们还制造了一个和圆珠笔芯那么大的迷你冰箱，用扭过的镍钛合金导线制冷。在几秒内，小冰箱里的水就下降了7.7摄氏度。

难道这就是女生为什么冬天只穿弹力长筒袜还不冷的原因？

本文来自微信公众号：把科学带回家(ID：steamforkids)，作者：七君