冷やし方のいろいろ

質問

物を冷却する方法には
１．エアコンや冷蔵庫のように気化熱を利用するもの
２．ペルチェ素子等を使う電子冷却
３．化学反応（氷に塩を振ると冷えるのもこれになるのかな）
等があると思いますが、ほかに手段があるのでしょうか。
ボルテックスチューブ？なるものを使って冷やす方法があるというのを聞いたことがありますがどんな物でどんな原理なんでしょうか。
とにかく冷やし方のいろいろを教えて下さい。

回答No.12

stomachman

単なる質問=回答と言わず、議論を熱く盛り上げたいと願っているstomachmanとしては、冷却効果があるとは心外です...なんちゃって、尊敬するsiegmund先生に過分のお言葉を戴き感激しております。

さて、
●「重力場冷却」はトンでもか？？
　自助努力もせねば、というので、いい加減な計算をしてみました。まずは等速直線運動で温度がどうなるか。（これって、アインシュタイン先生もやったと思うんですが、どうも文献がみつからない。）stomachmanは超手抜きして計算します。すなわち、静止質量mの粒子が2つ、速度Vで動く箱の中にある。一つは箱に対して静止し、もう一つは箱の速度と平行に前後運動している。この時、前向きに動くときの粒子の速度Vpと後ろ向きでの速度Vmは
Vp=((V+v)*c^2)/(c^2+v*V)
Vm=((V-v)*c^2)/(c^2-v*V)
また質量は、箱に対して静止しているやつmz, 前向きmp, 後ろ向きmmとすると、それぞれ
mz=m*c/sqrt(c^2-V^2)
mp=(m*(c^2+V*v))/sqrt((c^2-v^2)*(c^2-V^2))
mm=(m*(c^2-V*v))/sqrt((c^2-v^2)*(c^2-V^2))
となります。前向きでいる時間と後ろ向きでいる時間はちょっと違う、ということを考慮して、
動いている粒子の平均質量は
mAve=(Vp*mm+Vm*mp)/(Vm+Vp)
でいいのかな？そうすると、
mAve=((c^2*(c^2-v^2)-(c^2-V^2)*v^2)*m)/(-v^2+c^2)*1/sqrt((-V^2+c^2)*(-v^2+c^2))
です。従って、静止している奴との質量の差を求めると、
mAve-mz = ((-c*(-v^2+c^2)^(3/2)-2*c^2*v^2+V^2*v^2+c^4)*m)/(sqrt(-V^2+c^2)*(-v^2+c^2)^(3/2))
だけ質量が増加しています。
E=mc^2ですから、
この質量増加分だけ、動いている方がエネルギーが高い。温度はエネルギーに比例するから（いいのか？）、「動いてる箱の方が熱い」ということになります。

さてと、同様のことが、重力ポテンシャルの深いところにある箱でも成り立つのか。直線上の加速だけなら特殊相対性理論の範囲で扱えるはず。とは言っても大変で出来ませんけど、でも等速度で温度が違うなら、等加速ならなおさら違いそうなもの。
　もしそうなら、重力加速度が大きい状態にある物体を、より重力の弱い所に移してやれば、それだけで冷える、ってことになりそうです。
いやー、どこかに教科書ないものでしょうか。

回答No.11

siegmund

う～ん，熱音響冷却なんて知りませんでした．
トムソン効果は忘れていました．
ペルチェ効果が書いてあったんだから，
気がつかなきゃいけなかった．
両者は親戚みたいなものですから．
もうひとつ親戚として

○ エッチングスハウゼン効果
電流の流れている棒に電流と直角方向に磁場をかけます．
そうすると，電流とも磁場とも直角の方向に温度差が生じる，
という現象です．
ホール効果に似ていますね．
実際にものを冷やすには使いにくそうです．
電流，熱流，磁場，はいろいろ絡み合っていて，
どれが原因でどれが結果かについていろいろな名前が付いています．
あと，単一金属(あるいは半導体)か異種のものをつなぐか，
もありますから，バリエーションはずいぶんあります．
名前がついていないものもあります．

ものを持ち上げるときの相対論的効果？
いやぁ，よくわかりません．
相対論方面は苦手です．
講義もやったことないし．
一度講義やれば少しましになるかも知れませんが．
一度目の講義を聴かされる学生は大迷惑か？

▲ stomachman 効果(もちろん冗談ですよ，念のため)
stomachman さんのコメント見ると冷や汗が出ます．
この方，ホントに一般人？
物理の専門家(それもかなりの)と議論しているみたいですよ．
余計なことでしたら，失礼．

この質問と直接関係ある話じゃありませんが，
goo で「Ｑ＆Ａのその後」みたいな会議室でも作ってくれませんかね．
他のどなたかも同じようなこと書いておられましたが．

回答No.10

stomachman

またまたstomachmanです。
●思い出したんですが、トムソン効果（ケルビン効果）てのもあります。ペルチェ効果に似てますが、後者が異なる２種類の金属で熱電対を作るのに対して、前者は同一の金属、ただし温度差をつけたものを対にします。さらに半導体を間に挟むというバリエーションもある。いずれも電流の向きによって発熱になったり吸熱になったりします。

●lamopさんの疑問について、実験してみました。方法：息を吸って止め、十分に待ってから手のひらに向かってハァーッとフゥーッをやる。結果：フゥーッが冷たい。また、手のひらをうんと口に近づけるとフゥーッでも冷たくない。考察：前に断熱膨張と書きましたけど、息の湿気が手のひらで凝結して、次にこれが気流で蒸発することによる気化熱が重要だと思われます。結論：同じように体内で暖めた空気でも違いは出た。

●言い訳ですけど、前の回答で書いた「ものを持ち上げる」というのは一般相対性理論の話で、重力場の強さによる時空の違いが温度に影響するんじゃないか？という考えなんですが、実はよくわからない。....それどころか、物をそこに置いたまま観測者が高速で突っ走るだけで、物の温度が違って見えるよう（特殊相対性）にも思えます。どなたか教えていただけないでしょうか。

●tama606さんご紹介のHPはホントにいろんな「ひやし系」の研究をやってるんですねえ。「熱音響冷却」というのはどうも音響で断熱膨張をやるみたいですね。これは「ボルテックス・チューブ」とは別物なんだろうか？ほかにも「真空冷却」「アルコール吸着冷却」なんかも載ってますね。

回答No.9

lamop

deagleさんのアドバイスで気になったのですが、私は息の、
ハァーッとはいたときとフゥーッと吹いたときの温度の差というのは
腹から出たのと胸から出たの(つまり体内で暖めれられた空気とさっき吸った空気）の差だと聞いていたのですが、
どうでしょうか。

回答No.8

tama606

皆さんの触れていないので・・・

「熱音響冷却」というのがあるそうです。
「ドーナツ状の配管の一端に枝管を設け、この先端に圧力振動源を配置し、ここで発生した圧力波を利用して、配管の途中に挿入した蓄冷器で熱を輸送する。」ということだそうです。熱のくみ出しに、進行波を使うということでしょうか。
かなり実用に近いような感じですが、実機はまだ見たことがありません。どなたかご存じでしょうか？

私のような素人にも解りやすいURLが見つかりませんでしたので、どなたか補足をお願いします。

参考URL：

http://leo.nit.ac.jp/~hara/research.html

回答No.7

stomachman

siegmundさん＜
さすが専門家は違いますね。そーか、こんなにあったんだ。
レーザ冷却はホントおもしろいですよね。あと、ボーズ・アインシュタイン凝縮やるときに、最後は結局いわば「気化熱」を使ってたてのも面白いと思うんですよ(^^)

さて、あまり効き目のなさそうな方法ですが、siegmundさんに質問。
物を持ち上げる、ってのはどうでしょう。位置エネルギーが増えた分だけ、冷えるんじゃないですか？（単に軽くなるだけか？あれ？）

回答No.6

siegmund

いやあ，面白そう．
私も参加させてください．

ものを冷やすというのはなかなか大変で，
大昔は夏の氷は貴重品だったですよね．
枕草子にも，貴(あ)てなるものとして
「削り氷にあまづら入れて・・・・」なんて書いてあります．

脱線はやめて，
あるものをもっと温度の低いものに接触させれば冷えますから，
stomachman さん言われるように，
どうやって温度の低いものを作るかですよね．

既にいろいろあがっていますので，補足と追加を

○ 放射．
これは stomachman さんに付け加えることはないようです．
Sky radiator なんて，私知らなかったです．

○ 断熱膨張(stomachman さん，myeyesonly さん)
気体膨張のさせ方にちょっとポイントがあります．
圧力差が生じないようになるべくゆっくり膨張させるのを，
準静的断熱膨張といいます．
これは必ず冷えます．
一方，圧力差のあるところに吹き出させる(高圧ボンベから空気中へ，など)
の類(本当はもちょっと制限があるけど)を
ジュール・トムソン膨張と呼んでいます．
理想気体ですと，この膨張では温度変化がないことが知られています．
実際の気体では，逆転温度と呼ばれる温度がありまして，
その温度以上からジュール・トムソン膨張を開始すると温度が上がってしまいます．
逆転温度以下から始めれば温度は下がります．
空気，酸素，窒素，二酸化炭素などでは常温常圧で温度降下がおこります．
水素の逆転温度は－80℃，ヘリウムでは－173℃．

○ 氷に塩を混ぜる(morion2 さん，stomachman さん)
塩化ナトリウムだと，-21℃，塩化カルシウムだと -55℃．
ついでに，エチルアルコール＋ドライアイスで -72℃．

○ 塩が水に溶けるとき，吸熱するものを使う手もあります(ふつうは発熱)．
代表的なものは，硝酸アンモニウム．
たたくと冷たくなる冷却パックはこの応用です．

○ 断熱消磁(myeyesonly さん)
熱力学的には断熱膨張と同じ理屈です．
圧力の変化が磁場の変化に対応しています．
常温でも冷えますが，常温で用いるメリットはないでしょう．
銅の核スピンを使った冷却ではμK (10^{-6} K) の
オーダーまで冷えます．
世界最低温の記録は，この手法で作られました．
(K は絶対温度)．

○ 液化気体を真空ポンプで減圧すれば常圧の場合より冷えます．
液体窒素は常圧で 77K ですが，ポンプで引くと 63K 位まで冷えます．

○ He3－He4 希釈冷凍
液体 He3 を液体 He4 に混ぜると温度が下がるという効果があって，
それを利用したものです．
mK オーダーの実験に使われます．

○ ポメランチュック冷却
ふつうは液体に圧力をかけて固体にすると，発熱します．
ところが，He3 ではある温度領域で，液体 He3 に圧力をかけて
固体にすると吸熱します．
これを使った冷却で，mK オーダーの手段．
最近は希釈冷凍に押され気味のようです．

○ レーザー冷却
レーザーなんか当てたら温度が上がりそうな気がしますよね．
原子の共鳴周波数より少し低い周波数のレーザーを当てて，
ドップラー効果の応用で原子の運動エネルギーを吸収しようというものです．
1997 年のノーベル賞受賞の仕事です．
最近，レーザー冷却を使って，
アルカリ原子のボーズ・アインシュタイン凝縮が観測されています．

回答No.5

shigatsu

液体窒素にしずめて、かなづちの代わりになるバナナ・・じゃなくて、この冷やし方はなんて言うんでしょうか？
接触？

今の時期夜中とか明け方とか、外に放置されるとかなり冷えますが、それは？

新しいＭａｃ衝動買いすると、懐が・・・

すいません、どんどん壊れてますね。

回答No.4

myeyesonly

deagle のおっしゃる方法は実在します。最も身近な例は、夏場に使うエアコンのクーラーでしょうかね。気体の断熱変化という現象を利用します。
これは、熱の出入りがない状態で気体の体積を変化させると温度も変化するという現象で、体積が小さくなる（圧縮する）と温度は上がります。（反対なら結果も反対に）

圧縮して温度が上がったところを回りの温度まで冷やして、それを元の圧力と体積に戻すと、圧縮前よりもっと温度がさがります。
これがクーラーの原理ですが、これを何段階もやって空気を液体にしてしまうこともやられてます。

ボルテックスチューブというのもこの原理の応用で、パイプの中に高圧の気体を流して、中に何かをおいて、その物体の周辺で圧力差を生じさせ、温度の違う場所から気体を取り出して、違う温度を取り出すしかけのようです。

ついでにもう一つ、ちょっと変わった冷やし方を。

断熱消磁という方法で、絶対０度近くの低温で使う方法です。
磁性体に磁気をかけて、分子の方向を揃えておき、他の方法で冷やせるだけ冷やします。そして、急に磁場を反対にして消し、分子の方向をバラバラにすると、分子の乱雑状態が増えます。（エントロピーとかいうそうです）そのためにエネルギーが消費され、温度が下がります。より絶対０度に接近するために研究分野で使われている方法です。常温でこの現象が観察できるかどうかは知りません。

回答No.3

stomachman

deagleさんの仰るすきま風は、おそらく断熱膨張で冷えているんだと思われます。