艾莎公主的冷凍魔力居然這么厲害！

艾莎公主的冷凍魔力有多厲害？

作者：祝磊

喜歡《冰雪奇緣》的小朋友都知道艾莎公主擁有一種神奇的魔力，只要她摘下手套，手指一點(diǎn)就能把一大片地方瞬間凍成冰。

從物理學(xué)的角度看，艾莎公主相當(dāng)于一臺強(qiáng)大的制冷機(jī)，能夠急速把周圍空氣中的水蒸氣降溫冷凍成冰。

制冷機(jī)的物理原理是怎樣的呢？

我們不妨看看家里用的電冰箱，它可以把冷凍室內(nèi)空氣中的水蒸氣凍成冰，因?yàn)槔鋬鍪业臏囟瓤梢缘椭亮阆?18 攝氏度。而電冰箱外的環(huán)境溫度可能是零上 40 攝氏度。如果電冰箱斷電不工作，冷凍室的溫度就會跟電冰箱外的環(huán)境溫度一樣，你辛辛苦苦凍的冰棍只能 化掉。一旦電冰箱通電，電力驅(qū)動壓縮機(jī)做功，壓縮氣態(tài)制冷劑，氣 態(tài)制冷劑獲得能量，其壓強(qiáng)升高，溫度也升高，進(jìn)入冷凝器后釋放熱 量，就凝結(jié)為液體。

然后，液體進(jìn)入毛細(xì)管，由于毛細(xì)管的阻礙，壓強(qiáng)降低，進(jìn)入蒸發(fā)器中。壓縮機(jī)反過來擴(kuò)張，使得蒸發(fā)器內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)一步降低，加快了液體的蒸發(fā)。蒸發(fā)是一個吸熱的過程，把冷凍室內(nèi)的熱量帶走，導(dǎo)致冷凍室的溫度降低。

壓縮機(jī)不斷循環(huán)工作，推動制冷劑在冷凝器、毛細(xì)管和蒸發(fā)器中循環(huán)運(yùn)動，就能將冷凍室降到零下 18 攝氏度。

無氟冰箱和保護(hù)臭氧層

以前電冰箱常用到的制冷劑是氟利昂，它是有機(jī)物，容易汽化和液化。但是它能夠分解出氯，跟大氣層中的臭氧層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從 而破壞臭氧層。臭氧層能吸收太陽光中的大部分紫外線，從而保護(hù)地 球上的人類和動植物免遭紫外線的傷害。

前面我們講過，太陽紫外線照射時間太長會對皮膚造成傷害。所 以，臭氧層對保護(hù)我們的身體健康至關(guān)重要，而氟利昂則是破壞臭氧 層的殺手。因此，人們做出了限制生產(chǎn)和使用氟利昂的決定，我國在2002 年停止生產(chǎn)氟利昂?，F(xiàn)在，我國市場上出售的冰箱都是無氟冰箱，其中的制冷劑不再是氟利昂，而是四氟乙烷等。

從能量的角度看冰箱的制冷過程

如果我們從能量的角度分析冰箱的制冷過程，就會發(fā)現(xiàn)電能輸入壓縮機(jī)，使壓縮機(jī)對制冷劑做功 W（通常用 W 表示功率），這是電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。然后制冷劑通過冷凝器向外界釋放熱量Q1（通常用 Q 表示熱量，此處標(biāo)記為 Q1），又經(jīng)過蒸發(fā)器吸收熱量 Q2。根據(jù)能量守恒定律或者熱力學(xué)第一定律，Q1=Q2+W。

這個向外界釋放的熱量（Q1）會導(dǎo)致電冰箱的側(cè)壁發(fā)熱，小朋友去摸一下自家的電冰箱就知道了。所以，用了電冰箱，可能導(dǎo)致你家的溫度升高。這個熱量（Q1）是我們不需要的，小朋友可以想想怎么 利用這個能量，不要讓它白白耗散到空氣中。

制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器吸收的熱量（Q2）是我們所需要的，它可以降低冷凍室的溫度，能夠凍冰棍、長時間保存食品。我們希望它越大越好。

壓縮機(jī)做的功是消耗電能得來的，需要我們花錢付電費(fèi)，這個功當(dāng)然越小越好。實(shí)際上，人們定義了一個制冷系數(shù) Q2/W 來表示電冰箱制冷的性能，接近我們常說的性價比。

我們發(fā)現(xiàn)，Q1 和 Q2，一個釋放能量，一個吸收能量，如果它們相等，不就沒有 W 什么事了嗎？電冰箱就不用耗電了。這好像也不違反能量守恒定律和熱力學(xué)第一定律。但是事實(shí)上并沒有這樣的冰箱 出現(xiàn)，這是為什么呢？因?yàn)闊釋W(xué)里除了熱力學(xué)第一定律，還有熱力學(xué) 第二定律：熱量只能自發(fā)地從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，而不能自發(fā) 地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。

所以，在現(xiàn)實(shí)生活中，你會看到熱水和冷水混在一起，熱水溫度 降低，冷水溫度升高，最終兩者溫度相同。而不會看到，熱水溫度變 得更高，冷水溫度變得更低。要實(shí)現(xiàn)后一種情形，必須對它們做功。也就是說，冰箱如果不通過輸入電能做功，是不可能使冷凍室的溫度 降低而外界的溫度升高的。

如果艾莎公主灑出四氟乙烷或者干冰，哪個結(jié)冰會更快？

回過頭來說艾莎公主的魔力，假如她纖手一揮，灑出四氟乙烷， 然后運(yùn)用內(nèi)力壓縮四氟乙烷做功。四氟乙烷壓強(qiáng)增大，溫度升高，向 外放熱，然后艾莎公主纖手一收，運(yùn)用內(nèi)力抽吸四氟乙烷，壓強(qiáng)降 低，迅速蒸發(fā)，吸走大量熱量，于是周圍結(jié)冰。這樣似乎可以解釋 得通。但是這種操作要求艾莎公主像一個武林高手一樣有著深厚的 內(nèi)力。

另外一種對內(nèi)力沒有要求的辦法就是使用干冰（固態(tài)的二氧化碳）來實(shí)現(xiàn)。由于干冰的凝固點(diǎn)（零下 78.5 攝氏度）很低，它在常溫的空氣中迅速升華成氣態(tài)，這個過程會大量吸熱，使得環(huán)境溫度降低，有可能降到冰點(diǎn)以下。

所以艾莎公主只要纖手一揮，灑出干冰，就可能把周圍凍上。這個過程相當(dāng)于高溫物體（空氣）向低溫物體（干冰）釋放熱量，可以自發(fā)進(jìn)行，不需要艾莎公主額外運(yùn)用內(nèi)力做功，可以說這是一項(xiàng)門檻 極低的冰凍魔法。

唯一要注意的是，攜帶干冰時防止凍傷。

還有一件事，艾莎公主的魔法冰凍速度極快，幾乎是眨眼之間。這個過程中能量轉(zhuǎn)移是一定的，時間越短，表明單位時間內(nèi)能量的轉(zhuǎn) 移越高，也就是功率越高，因?yàn)楣β?= 功 ÷ 時間。

我們知道“冰凍三尺，非一日之寒”，看起來，艾莎公主要瞬間把眼前世界冰凍起來，功率要求太高，恐怕不現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)然，《冰雪奇緣》本來就是超現(xiàn)實(shí)的童話故事。

劃 重 點(diǎn)

1.制冷機(jī)的原理。制冷機(jī)是通過對制冷劑做功，使制 冷劑向外界放出熱量，然后制冷劑減壓蒸發(fā)，吸收熱量， 使得溫度降低，達(dá)到制冷效果。

2.能量守恒定律、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。能量守恒定律和熱力學(xué)第一定律說的是能量既不能憑空創(chuàng)造，也不能憑空消失，而只會發(fā)生轉(zhuǎn)移。熱力學(xué)第二定律說的是能量轉(zhuǎn)移是有方向的，只能自發(fā)由高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，而不能反過來。要想反過來，就必須對低溫物體做功。這也是制冷機(jī)為什么必須先輸入功的原因。

3.功率。功率是單位時間內(nèi)做的功，制冷機(jī)制冷需要一定的時間，像艾莎公主那樣的冰凍魔力大概只能存在于童話里。

本文節(jié)選自《給孩子的物理啟蒙課》（祝磊 著，中國婦女出版社，2022）