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)