为了让你过好夏天，科学家们曾做了多少努力？

小林绿子 中科院半导体所 昨天


酷暑已经过去了，那大家有没有想过夏季神器们是如何将温度降下来的？

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
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 
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
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
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
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 II | 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 | 来源：removeandreplace.com
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 | 来源：58ytr.com
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。
参考文献：
[1] 汪志诚.《热力学·统计物理》
[2] 无叶风扇. 维基百科 
[3] 接近绝对零度的死寂中，居然隐藏着量子计算这样的大杀器？
[4] 斯特林发动机原理 
[5] Cryocooler. 维基百科
[6] 热电效应. 百度百科
[7] 绝热去磁制冷. 百度百科

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