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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    制冷的奧秘(上)

                    2018-06-11 22:53:00

                      總統病房的實驗

                      1881年7月的一天,美國總統詹姆斯·加菲爾德在華盛頓車站突然遭到暗殺。一顆子彈打在他的脊椎上,鮮血淋漓,昏迷不醒,被立即送往醫院搶救。

                      華盛頓的夏天又悶又熱,這一年更逢歷史上罕見的高溫。加菲爾德因流血過多,身體十分虛弱,躺在病床上不斷地痛苦呻吟。雖然總統夫人和護士們一直守在身旁,但是醫生還是提出,只有迅速降低室溫才能為總統實施緊急手術。在那個年代,一般是用冰塊制冷的。然而,面對這一突發事件,醫院毫無準備。于是院長請來一位名叫多西的礦山技術員,把排除病房熱氣和濕氣的任務交給了他。與此同時,華盛頓的海軍工廠也接到緊急指令:立即向多西提供他需要的一切器材,不得有誤。

                      多西在礦山工作多年,掌握了向坑道內輸送新鮮空氣的技術。憑借經驗,他推斷:如果空氣壓縮,就會放出熱量。把這種高溫高壓的氣體用水冷卻后,再讓它膨脹還原,不就可以吸收熱量,降低周圍空間溫度了嗎?于是,多西立即在醫院里裝上一個很大的發動機,開始對空氣進行壓縮,并將一根吸熱的管子連到總統的病房。機器一開動,室內溫度很快從超過30℃,降到了25℃以下。

                      雖然加菲爾德總統因傷勢過重,術后兩個月還是去世了,但多西的實驗獲得成功,揭開了人類發明空氣調節裝置的序幕。美中不足的是,進一步的研究表明,運用多西的設備降低室溫需要很大功率的壓縮機,因而要使空調裝置進入千家萬戶,必須另辟蹊徑……

                      “空調之父”開利

                      1901年夏,由于受到空氣的溫度、濕度變化影響,導致紙張縮張率不穩定,紐約布魯克林印刷出版公司的印刷機無法生產出清晰的彩色印刷品。為此,公司找到制造供暖系統的布法羅鑄造公司,希望對方能提供一種調節空氣溫度和濕度的設備。公司將這一任務交給了年輕的美國工程師威利斯·開利(Wills Carri-er)。開利設想:既然充滿蒸汽的管道可以使周圍的空氣變暖,那么將蒸汽換成冷水也應該可以使周圍的空氣變冷。

                      如果再設置噴霧裝置應該能使潮濕空氣中的水分在水管上冷凝成水珠滴落,最后剩下的就是更冷、更干燥的空氣了。1902年7月17日,開利給出版公司安裝了這臺自己設計的設備,取得較好的效果。緊接著,紡織、化工、制藥、食品甚至軍工企業,都紛紛引進開利的空調技術,并將此譽為“世界上第一個空氣調節系統”,簡稱“空調”(Air Condition-ing)。

                      但是,頭腦冷靜的開利發現,這種直接利用“熱傳導”原理工作的空調系統,制冷力仍不夠強。一個偶然的機會,他看到一篇關于用甲醚清洗過的鉛字會變得非?!袄洹钡奈恼?,這觸發了他的靈感:如果用甲醚或者其他沸點較高的氣體作為“制冷劑”,先開利博士發明第一臺空調有一個故事:當時印刷作坊的印刷機由于空氣濕度與紙張濕度的變化使得紙張伸縮不定,導致對位不準,印出來的東西模模糊糊。開利博士因此發明這項技術,為印刷提供了低熱度及濕度的環境,令紙張面積及油墨的排列更準確。

                      通過加壓液化將放出來的熱量設法除去,然后減小壓力使液體再蒸發成氣體時,必然大量吸收外界的熱量,使周圍的溫度降低。理論計算和實踐都表明,開利于1922年研制成功的這種離心式壓縮機空調,大幅度提高了制冷效率,具有里程碑意義。1924年,開利公司為底特律的赫德遜大百貨公司安裝了空調;1925年,該公司又為紐約里沃利大劇院安裝了中央空調;此后5年,開利公司給300多家商場和影劇院送去了清涼,從此空調進入迅猛發展的時代。

                      1950年10月,開利因突發心臟病去世,享年74歲。為紀念這位“空調之父”,美國將1922年開利制造的第一臺離心式空調機陳列于華盛頓國立博物館。

                      電冰箱問世前后

                      冰箱已是人們離不開的一種家用電器。實際上,我國古代就已經發明了冰箱的雛形——“冰鑒”。戰國時期有一種冰鑒,正上方是一個帶有4個提梁的小蓋子,蓋子下面是一個盛酒的青銅容器,酒就放在這個容器里。容器與冰鑒的外壁之間保留有很大的空間,當夏天需要冰酒時,人們就把冬天儲存在地窖中的冰,打碎后放進這個空間里。

                      但是,這種天然冰的收集和保存都相當困難。直到1822年,英國科學家法拉第發現某些氣體,經過壓縮后可以變成液體。而這種液體在進行氣化的過程中,又會吸收大量的熱量,也就等于給周圍制冷。1834年,68歲的科學家珀金斯首先申請了壓縮機的專利。壓縮機不僅可用于人工制冰,而且還催生了原始的“冰箱”。這種“冰箱”就是利用機械的方法,在一個很大的容器中,將氣體壓縮成液體,并加入食盒,再讓液體氣化,食盒中就生成了冰塊。

                      當時這種裝置主要應用于長途運輸食物過程中的保鮮。1876年,第一艘安裝了用氣態氨制冷冰箱的船,滿載著羊肉從悉尼港出發。然而剛起航不久,由于設備故障,羊肉開始發臭,最終只能全部扔掉。但研制者并未灰心,3年之后又制造出一艘新的冷藏船。這一次從悉尼港出發前往英國倫敦的航程需要幾個月,雖正值盛夏,但抵達倫敦打開船艙時,40噸牛羊肉依舊凍得硬邦邦的,冷藏運輸終獲成功。

                      1923年,兩個瑞典工程師改用電動機帶動壓縮機,從而發明了世界上第一臺電冰箱。美國人購買了他們的專利,并在2年后大量生產投放市場。

                      這種電冰箱的制冷系統以壓縮機為中心,連接成一個循環的閉路:壓縮機→冷凝器→干燥過濾器→毛細管→蒸發器→壓縮機。制冷劑就在這個閉路里循環流動。

                      壓縮機內裝配電動機和氣缸,接通電源后,電動機就驅動氣缸中的活塞往復運轉,發出有節奏的響聲。它源源不斷地吸入蒸發器中處于低溫低壓的氣態制冷劑,并將它們壓縮成高溫高壓的氣體,然后送至冷凝器。

                      冷凝器具有快速散熱的功能。

                      它通過彎彎曲曲的管道和密密層層的翼片,擴大了與空氣接觸的有效面積,能夠很快將熱量散發出來。制冷劑變為高壓低溫液體,經過干燥過濾后進入又細又長的毛細管節流,并進入蒸發器。

                      蒸發器是一個管徑比毛細管大得多的金屬腔體,安裝在冷凍室內。從毛細管到蒸發器,在接口的地方,管徑突然從小變大,液態制冷劑仿佛進入了一個無拘無束的“廣闊天地”,壓力頓時減小,迅速蒸發為氣體,在進入下一個循環的同時,大量吸收冷凍室內的熱量。這樣周而復始地多次循環,直至達到要求的制冷溫度,壓縮機才自動停止運轉。

                      由此可見,無論電冰箱還是空調,充分發揮制冷功能的關鍵,都在于制冷劑的正確選擇……

                      為氟利昂“鞠躬盡瘁”

                      實踐表明,一種理想的制冷劑,需要同時具備以下4個條件:一是沸點在-40℃~0℃之間,即加壓后容易液化;二是化學性質穩定;三是不易燃燒;四是無毒、無臭。

                      人們最初選用的制冷劑是二氧化硫(SO2)和氨(NH3)。在一個大氣壓下,二氧化硫于-10℃時液化,氨于-33℃時液化。在常溫下,二氧化硫和氨的液化,分別只需加2.34和8.8個大氣壓。這2種制冷劑的化學性質都比較穩定,也不易燃燒,缺點是有刺鼻的臭味,濃度大時有毒。此外,氨對壓縮機還有腐蝕性。

                      于是,從1930年開始,美國通用電氣公司聘請工程化學家托馬斯·密得烈開發新的制冷劑。密得烈從分析“化學地圖”入手確定尋找的方向。他發現,非金屬元素之間的化合物,較多的是液體氣體,其中的惰性氣體沸點太低,難以液化,硼、硅、磷、砷、硒和碘的氣態化合物,一般穩定性較差或有毒,值得研究的只有碳、氮、氧、硫、氟、氯、溴等幾種元素。當時使用的制冷劑,如氨、二氧化硫、氯甲烷、氯乙烷等,都是這些元素相互結合形成的化合物。雖然方向是正確的,但是這些元素之間形成的化合物數量驚人,必須縮小搜索范圍。密得烈首先按照不易燃燒的要求,發現在元素周期表中,甲烷(CH4)是容易燃燒的天然氣;往右,氨(NH3)較難燃燒;再往右,水(H2O)在一般情況下不燃燒。其規律是從左向右,化合物的易燃性依次減弱。

                      再分析化合物的毒性。同一縱行內,砷化氫(AsH3)、磷化氫(PH3)比氨(NH3)的毒性強。水(H2O)無毒,而硫化氫(H2S)卻有毒。顯然,在同一縱行中,化合物的毒性從下向上逐漸減弱。另外,化合物的穩定性也是按碘化氫(HI)、溴化氫(HBr)、氯化氫(HCl)、氟化氫(HF)的次序逐漸增強的。

                      于是,密得烈綜合這三個方面,在元素周期表上從左向右,從下向上排查,最后“聚焦”到一個元素——“氟”上。

                      密得烈從CI4、CBr4、CCl4 的沸點逐漸降低,CF(4四氟化碳)的沸點約為-136℃,CCl(4四氯化碳)的沸點是76.8℃,推測要制造-40℃~0℃之間的化合物,就應該在CF4中增加原子量較重的氯(Cl)原子。經過一番艱苦努力,密得烈終于合成了沸點為-29.8℃,無毒,無臭,不燃燒,化學性質穩定的制冷劑二氯二氟甲烷(CCl2F2,商品名為氟利昂)。當年,密得烈發表的論文在國際制冷學術界引起轟動并迅速得到公認,從而為冰箱、空調的大規模市場化、家庭化鋪平了道路。

                      氟利昂作為制冷劑,一直沿用了50多年。雖然后來人們發現它對地球的大氣臭氧層具有破壞作用,因而努力尋找新的環保型“綠色”制冷劑,但是,密得烈對制冷技術的歷史性重大貢獻仍應被肯定。令人惋惜的是,由于長期接觸化學原料,他的健康受到嚴重損害,終致盛年早逝……

                    本文來自《科學24小時》

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