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電風(fēng)扇上裝礦泉水瓶,效果堪比空調(diào)?真相是……

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日前,很多短視頻平臺(tái)發(fā)布內(nèi)容稱,靠礦泉水瓶和風(fēng)扇,就能做出一個(gè)節(jié)能減排的“空調(diào)”。那么這是真的嗎?

首先,關(guān)于最近網(wǎng)上流傳的“電風(fēng)扇+半截礦泉水瓶”的“自制空調(diào)”裝置,并不是最新發(fā)明。

礦泉水瓶做“空調(diào)”,早在 2016 年 6 月,國(guó)外網(wǎng)站上就有類似的裝置,當(dāng)時(shí)被命名為“零耗電”空調(diào)(“Zero Electricity” Air Conditioner)或環(huán)保降溫器(Eco-Cooler),聲稱能降溫 5℃。

這個(gè)國(guó)外的裝置和最近國(guó)內(nèi)流傳的“電風(fēng)扇+半截礦泉水瓶”的“自制空調(diào)”本質(zhì)上是一樣的,所不同的是國(guó)外的使用塑料瓶與木板組成的通風(fēng)裝置是直接裝在房間的窗戶上,利用的是戶外的自然風(fēng),連電風(fēng)扇都不用,因而噱頭更大,若能實(shí)現(xiàn),將是真正的“零能耗”。

圖片和信息來源:https://wonderfulengineering.com/guy-invents-an-air-conditioner-that-works-without-electricity/

那么這種“空調(diào)”到底有沒有效果呢?

有效沒效,實(shí)驗(yàn)室里見真章

有很多人,包括中學(xué)物理教師都做過類似的實(shí)驗(yàn),但并沒有測(cè)量到明顯的降溫效果。2018 年,筆者作為上海師范大學(xué)學(xué)科教學(xué)(物理)專業(yè)研究生學(xué)位點(diǎn)負(fù)責(zé)人、數(shù)理學(xué)院物理系教授,指導(dǎo)的一篇物理學(xué)專業(yè)的本科畢業(yè)論文《對(duì)一種“不耗電空調(diào)”的檢驗(yàn)》,對(duì)這個(gè)問題也進(jìn)行過較為深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過這個(gè)裝置之后的空氣溫降基本上在 0.2℃ 以內(nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于網(wǎng)傳的 5℃,而且大部分情況是通過這個(gè)裝置之后的空氣溫度往往有所上升。

而對(duì)于“風(fēng)扇+礦泉水瓶”的情況,我們也可以發(fā)現(xiàn),通過礦泉水瓶的空氣溫度確實(shí)也沒有顯著變化。

但是,確實(shí)有不少朋友反映加了礦泉水瓶確實(shí)吹起來更涼快了,這難道是錯(cuò)覺嗎?

體感溫度≠溫度

為何加了這個(gè)裝置之后,人往往有更涼爽的感覺呢?這首先要區(qū)分兩個(gè)概念:實(shí)際的降溫效應(yīng)和體感降溫效應(yīng)。

實(shí)際的降溫效應(yīng)是指真實(shí)氣體的降溫效應(yīng),可以通過測(cè)溫儀器來檢測(cè)。對(duì)于實(shí)際物體,可以直接放置溫度計(jì)來測(cè)量溫度,也可以通過紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀來測(cè)量。根據(jù)前面所述,加裝礦泉水瓶并沒有明顯的降溫效果,甚至可能出現(xiàn)溫度略微升高的情況。

體感降溫效應(yīng)則是由于人體體表的蒸發(fā)制冷所造成的。由于增加了塑料瓶,使得電風(fēng)扇扇形的出風(fēng)口變小,在特定區(qū)域內(nèi)氣流流速增大,使人體體表蒸發(fā)更快,所以感到溫度降低。不過,這是以電風(fēng)扇出風(fēng)面積的減少為代價(jià)的。

另外,蒸發(fā)制冷效應(yīng)和降溫效應(yīng)是兩個(gè)概念。如果將人體換成干燥的金屬小球,并不能測(cè)出小球溫度的降低。當(dāng)然,如果在小球上裹上一層濕紙巾/濕毛巾,此時(shí),由于蒸發(fā)制冷效應(yīng),也能測(cè)出溫度降低。從本文開頭的視頻中我們也能看到,氣流吹拂導(dǎo)致的蒸發(fā)會(huì)讓濕硬紙板的表面溫度降低好幾攝氏度。

要想弄明白一種現(xiàn)象,既需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),也需要理論支持,接下來咱們就從理論角度,看看該怎么解釋。

理論計(jì)算

這個(gè)裝在窗戶上的裝置到底在理論上有沒有可能存在降溫效果呢?這是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,只能通過從理論上構(gòu)建一個(gè)理想物理模型來探討。

2017 年《物理通報(bào)》雜志上曾經(jīng)有一篇論文討論過這個(gè)問題,通過將流動(dòng)的氣體經(jīng)過縮小的瓶口進(jìn)入房間的過程假想為兩個(gè)絕熱+兩個(gè)等壓的可逆制冷機(jī)來計(jì)算,其計(jì)算出的制冷系數(shù)為:

其中 α 為氣體在瓶口被壓縮后的壓強(qiáng)與之前壓強(qiáng)的比值,γ 為比熱容比,對(duì)于空氣而言

γ=7/5=1.4

制冷機(jī)的能量來自何處?為了理論推導(dǎo),我們假設(shè)流動(dòng)空氣(微風(fēng))的動(dòng)能提供制冷機(jī)的工作能源。作如下假設(shè):安裝礦泉水瓶的窗戶面積為 1 平方米(m2),電風(fēng)扇或戶外風(fēng)速一般為 5m/s,假設(shè)風(fēng)速垂直于窗戶,則在單位時(shí)間 1s 內(nèi)有 5m3 內(nèi)的空氣(質(zhì)量為 1.29kg/ m3×5 m3≈6.5kg)以速度 5m/s 吹向窗戶,其動(dòng)能為:

假設(shè)房間為 4 米寬× 5 米長(zhǎng)× 3 米高,則總表面積為 94 平米,查得一般建筑材料的導(dǎo)熱率 κ 在 0.2~1 W/(m·K)之間,取 0.5 W/(m·K)(如干磚的熱導(dǎo)率 κ 約為 0.27W/(m·K),假設(shè)保持室內(nèi)外 5℃ 的溫差,假設(shè)墻壁厚度為 0.2m,則

dT/dz= 5℃/0.2m=25℃/m

則由傅立葉定律可得單位 1s 時(shí)間內(nèi)從室外傳導(dǎo)到室內(nèi)的熱量為:

Q= 0.5W/(m·K) × 25(℃/m) ×94m2 =1175J≈1000J

這些熱量是需要通過制冷機(jī)將其傳輸?shù)绞彝獾模僭O(shè)前面估計(jì)的微風(fēng)的動(dòng)能全部用來提供制冷機(jī)工作的能源(這只是理論上的,實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)),由

可以求得:α≈1.4,即要求微風(fēng)空氣流或電風(fēng)扇的微風(fēng)在從瓶底吹向瓶口的壓縮過程中,其大氣壓要從 1 個(gè)大氣壓增大到 1.4 個(gè)大氣壓,這是難以實(shí)現(xiàn)的。因此從理論上的分析來看,是有降溫效果,但遠(yuǎn)達(dá)不到 5℃ 的降溫效果。上面探討的是將這個(gè)裝置放在窗戶上,通過室外的微風(fēng)動(dòng)能作為能量,從理論上來分析,是有這個(gè)可能,只是降溫效果特別小。

回到這次的“礦泉水瓶+風(fēng)扇”裝置,也就是在室內(nèi)的電風(fēng)扇出風(fēng)口處裝上礦泉水瓶的裝置,如上述可知,這個(gè)裝置從理論上也沒有降溫效果。這是因?yàn)殡婏L(fēng)扇放在室內(nèi),電風(fēng)扇需要耗能,從能量守恒的角度,室內(nèi)溫度只會(huì)越來越高,不可能像空調(diào)那樣能起到給室內(nèi)降溫的效果。這個(gè)道理就相當(dāng)于在室內(nèi)打開電冰箱的門,顯然是不能讓室內(nèi)有降溫效果的,反而會(huì)使室內(nèi)越來越熱,溫度越來越高。

編輯的話:本次實(shí)驗(yàn)有其局限性,使用的是民用級(jí)測(cè)量器材,也并沒有在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作,可能存在一定的誤差,歡迎大家積極思考、質(zhì)疑和嘗試。

作者丨方偉 數(shù)理學(xué)院物理系副教授 上海師范大學(xué)學(xué)科教學(xué)(物理)專業(yè)研究生學(xué)位點(diǎn)負(fù)責(zé)人

審核丨張忠斌 中國(guó)制冷學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)委員 南京師范大學(xué) 教授

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供

評(píng)論
張美玲L
庶吉士級(jí)
電風(fēng)扇旁的礦泉水瓶,是夏日里的簡(jiǎn)易空調(diào),隱藏著自然的制冷智慧。它利用空氣流動(dòng)與水的蒸發(fā),帶來涼爽,展示了簡(jiǎn)單而有效的物理降溫方法。讓我們以創(chuàng)意的眼光,發(fā)現(xiàn)生活中的小妙招,享受科技與自然結(jié)合帶來的清新與舒適。
2024-07-02
新風(fēng)科普????
學(xué)士級(jí)
電風(fēng)扇與礦泉水瓶的結(jié)合,雖非空調(diào),卻能帶來清新的涼意,這創(chuàng)意的火花,照亮了環(huán)保與節(jié)能的智慧之路。它告訴我們,簡(jiǎn)單而巧妙的解決方案,往往隱藏在日常生活中。讓我們以這份創(chuàng)意為靈感,用樂觀的心態(tài)面對(duì)挑戰(zhàn),相信即使是最不起眼的改變,也能帶來意想不到的舒適與喜悅。
2024-07-02
科普中國(guó)●yling
進(jìn)士級(jí)
這個(gè)看似簡(jiǎn)單的操作,其實(shí)背后蘊(yùn)含著科學(xué)原理。當(dāng)氣流從較大的孔徑流向較小的孔徑時(shí),流速會(huì)加快。而氣體的溫度,正是隨著孔徑的減小而逐漸降低。換句話說,空氣在經(jīng)過壓縮后會(huì)變得更為涼爽。大家快行動(dòng)起來,過一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又涼爽的夏天吧!
2024-07-02