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为了让你过好夏天 你知道科学家们有多努力吗

2020 / 08 / 30新浪
Tags 制冷 空调
《回忆中的玛尼》
《回忆中的玛尼》

夏天真是让人又爱又恨的季节,小编早早就准备好了空调、Wi-Fi、西瓜夏日消暑标配神器。酷暑难耐,想必很多人和我一样,半条命都是空调给的。不过大家有没有想过温度是如何降下来的?

最简单的方式当然是扇风。虽然吹风不能使空气的温度降低,但是空气的流动会加速皮肤表面汗水的蒸发作用,从而将体表的热量带到空气中,达到散热降温的作用。

电风扇便是利用了电机转动带动扇叶转动,扇叶与旋转面呈一定角度,旋转时以斜切的方式挤压受力面的空气,从而产生气流。扇叶做成流线型可以避免不必要的摩擦损耗动能,同时可以减小噪音。扇叶旋转时上部空气受力“流走”而原来所在的位置会产生负压。而下部空气因为负压“流入”该区域,形成连续的空气流动。

扇叶旋转时空气流动示意图
扇叶旋转时空气流动示意图

无叶风扇近几年也好好地火了一把,其外表看起来高级炫酷,无叶设计不会覆盖尘土或者伤害到儿童的手指。可能不少朋友会好奇无叶风扇没有扇叶,风是从哪里来的?

无叶风扇工作图
无叶风扇工作图

无叶风扇最早于1981年由日本东京芝浦公司取得设计专利,在2009年由英国的詹姆斯·戴森(James Dyson)制造及投入市场。但它并非真正无扇叶,实际上只是扇叶隐藏在底座里面。无叶风扇的底座设有离心式压缩机,以叶片旋转在底座四周吸入空气、增压,推送至风扇顶部的中空的管状环,管状环上一端有幼窄的缝,空气自此窄缝喷出,喷出的方向使被喷出的空气沿管状环的内壁前进,由于内壁的横切面成翼型,基于伯努利定律使得在空气喷出环的一边的内壁表面成形成低压,如此,形成环中心前方较后方低压,后方的空气因而被拉进往前,环内的大量空气因此被牵引喷出。詹姆斯·戴森的原设计中,底座中使用无刷电动机推动压缩机每秒吸入27L的空气,而环状出气装置却有每秒405L的空气喷出,因此又称为“空气倍增器”。

无叶风扇工作原理图
无叶风扇工作原理图

当然吹风并不能真正实现温度降低,要想实现科学降温,就不得不利用热力学的知识。在现代技术中,一般有三类方法来实现低温:一类利用低温冷剂,一类通过气体动力学作功,还有一类则是利用某些物理化学现象,如热电效应、顺磁效应、隧穿效应等。

隧穿效应| 来源:新原理研究所
隧穿效应| 来源:新原理研究所

温度是表征物体冷热程度的物理量,微观上来讲是分子热运动的剧烈程度,理想气体分子平均平动动能为:

其中 m 是分子质量,

是分子平方平均速率,k是玻尔兹曼常数,T是温度。这说明温度越高,分子运动越剧烈。物体间的温度差会引起热能传递现象。热传递主要存在三种基本形式:热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在,热能就必然以以上三种方式中的一种或多种从高温到低温处传递。

使用冰块作为低温冷剂降温的鸡尾酒
使用冰块作为低温冷剂降温的鸡尾酒

低温冷剂便是利用低温物体与高温物体接触实现高温物体的降温,比如在可乐里加冰块,还有物理所传统技艺——液氮冰淇淋。聪明的古人早在周代就开始在冬天采集冰块放入冰窖储藏,等夏天再取出来消暑。到了现代社会,随着空气液化技术和杜瓦技术成熟,这种简单粗暴的制冷方式不但没有淘汰,反而应用于各种高大上的实验设备中,比如扫描隧道显微镜(STM)、磁学测量系统(MPMS)等。常压下液氮的液化温度为77K(-196℃)、液氦液化温度为4.2K(-268.95℃),可以为物理实验提供稳定的低温环境,尽可能排除热涨落的干扰,从而观察到一些奇妙的量子现象。

要谈气体动力学制冷,就得直面大名鼎鼎的“卡诺循环”。1824年,法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺提出了卡诺循环(Carnot cycle)来分析热机的工作过程。

卡诺循环
卡诺循环

卡诺循环是假设只有两个热源(一个高温热源温度T1和一个低温热源温度T2)的简单循环。由于工作物质只能与两个热源交换热量,所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成,在理想气体的准静态过程中进行能量转化:等温膨胀过程I→II(在高温热源吸热 Q1);绝热膨胀过程II→III(ΔQ=0);等温压缩过程III→IV(在低温热源放热 Q2);绝热压缩过程IV→I(ΔQ=0)。整个循环中气体对外所作的净功 W 应等于气体在循环中所吸收的净热量 Q1-Q2。理想的卡诺循环效率为(详细计算过程可查《热力学·统计物理》):

这说明卡诺循环效率只与两个热源的温度有关,且在有限温度内不可能达到1,不过可以通过升高高温温度和降低低温温度来增大效率。

斯特林发动机 I | 来源:看点快报
斯特林发动机 I | 来源:看点快报

1816年,英国伦敦的牧师罗巴特·斯特林(Robert Stirling)发明了斯特林发动机(Stirling engine),它理论上的效率几乎等于理论最大效率——卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。它是一种外燃发动机,使燃料连续地燃烧,蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动,膨胀后的气体又在冷气室里被冷却,反复地进行这样的循环过程。

斯特林发动机 III | 来源:看点快报
斯特林发动机 III | 来源:看点快报

由于准静态过程可逆,如果令整个卡诺循环反向进行,依次经状态 I→IV→III→II 而回到状态I,就需要外界对系统作功,在低温热源 T2吸热 Q2,在高温热源 T1放热 Q1,这个逆循环正是理想制冷器的工作循环,其作用是把热量从低温物体送到高温物体。

斯特林制冷器示意图,该系统由一个活塞在环境温度 Ta, 一个活塞在低温 TL | 来源:wiki
斯特林制冷器示意图,该系统由一个活塞在环境温度 Ta, 一个活塞在低温 TL | 来源:wiki
斯特林循环的四种状态 | 来源:wiki
斯特林循环的四种状态 | 来源:wiki

斯特林制冷器正是利用逆卡诺循环来实现降温的,它由冷热活塞、冷量换热器、冷却器、回热器和两个气缸组成。冷却循环分为4个步骤;

等温压缩过程a→b:冷活塞固定,热活塞右移,以环境温度 Ta放热 Qa;

定容放热过程b→c:两个活塞同时向右移动,气体的体积保持不变,当热气体通过回热器时,将热量传给填料,因而温度由 Ta降低到 TL;

等温膨胀过程c→d:热活塞固定,冷活塞右移,温度为 TL的气体进行等温膨胀,从低温热源(冷却对象)吸收一定的热量 QL(制冷量);

定容吸热过程d→a:两个活塞同时向左移动直至左止点,气体体积保持不变,回复到起始位置。当温度为 TL的气体流经时从回热器填料吸热,温度升高到 Ta。

外界对制冷器作功:

效率为:

发现其理想效率也只与两个温度有关。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点。两空间制冷机温度可达 80 K。三空间制冷机温度可达 10.5-20 K。四空间制冷机温度可达 7.8 K。冷头最底温度达到6K到 3.1 K的斯特林制冷器也已研制成功。除此之外,还有Gifford-Mcmahon(GM) 制冷器、脉冲管制冷器、节流制冷器等等。

说完理想的卡诺循环热机和制冷器后,再来谈谈它在空调上的应用。1902年后期,首个现代化、电力推动的空气调节系统由威利斯·开利发明。空调的核心原理也是逆卡诺循环,再加上冷媒(如二氟一氯甲烷)的状态改变进行热量的转化来对有限空间进行降温。

如图所示,压缩机 1 将低温常压气态的冷媒压缩成高温高压气态,然后输送到室外机的冷凝管 3 处散热后成为常温高压液态,因此室外机风扇 2 吹出来的是热风。然后流入细管 4 再进入室内机的蒸发器旋管 5 ,此处空间增大,压力减小,液体汽化吸收大量的热量,冷媒变成低温常压气态,室内机的风扇 6 将空气吹过蒸发器从而产生冷风,气体再经过压缩机 1 ,又是一个新的制冷循环。

空调工作原理示意图
空调工作原理示意图

利用某些物理化学现象来制冷也并不罕见。热电制冷又称作温差电制冷或半导体制冷,它是利用热电效应(帕尔帖效应)的一种制冷方法。

热电制冷原理示意图
热电制冷原理示意图

1834年法国物理学家J。 C。 A。帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝,在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上,通电后发现一个接头变热,另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时,两个接头处分别发生了吸放热现象,这就是热电制冷的现象。半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。热电制冷器的产冷量一般很小,所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强,简单方便冷热切换容易,非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。

磁制冷原理示意图 | 来源:baike
磁制冷原理示意图 | 来源:baike

磁制冷是一种利用磁性材料的磁热效应来实现制冷的新技术。磁热效应(magnetocaloric effect,MCE)是一种变化磁场下磁性材料磁矩有序度发生变化而导致的热现象。在磁性材料被磁化时,磁矩有序度增加,磁熵减小,温度上升,向外界放出热量;退磁时,磁性材料磁矩有序度减少,磁熵增加,温度下降,从外界吸收热量。1881 年,Warburg在金属铁中首次发现了这种现象,随后 Giauque进行了绝热去磁的应用研究,并于1927年获得小于1 K的低温。

讲了这么多,小编的头突然觉得还挺凉快的~