為了讓你過好夏天，你知道科學家們有多努力嗎？_風聞

《回憶中的瑪尼》

　　夏天真是讓人又愛又恨的季節，小編早早就準備好了空調、Wi-Fi、西瓜夏日消暑標配神器。酷暑難耐，想必很多人和我一樣，半條命都是空調給的。不過大家有沒有想過温度是如何降下來的？

　　最簡單的方式當然是扇風。雖然吹風不能使空氣的温度降低，但是空氣的流動會加速皮膚表面汗水的蒸發作用，從而將體表的熱量帶到空氣中，達到散熱降温的作用。

　　電風扇便是利用了電機轉動帶動扇葉轉動，扇葉與旋轉面呈一定角度，旋轉時以斜切的方式擠壓受力面的空氣，從而產生氣流。扇葉做成流線型可以避免不必要的摩擦損耗動能，同時可以減小噪音。扇葉旋轉時上部空氣受力“流走”而原來所在的位置會產生負壓。而下部空氣因為負壓“流入”該區域，形成連續的空氣流動。

扇葉旋轉時空氣流動示意圖

　　無葉風扇近幾年也好好地火了一把，其外表看起來高級炫酷，無葉設計不會覆蓋塵土或者傷害到兒童的手指。可能不少朋友會好奇無葉風扇沒有扇葉，風是從哪裏來的？

無葉風扇工作圖

　　無葉風扇最早於1981年由日本東京芝浦公司取得設計專利，在2009年由英國的詹姆斯·戴森（James Dyson）製造及投入市場。但它並非****真正無扇葉，實際上只是扇葉隱藏在底座裏面。無葉風扇的底座設有離心式壓縮機，以葉片旋轉在底座四周吸入空氣、增壓，推送至風扇頂部的中空的管狀環，管狀環上一端有幼窄的縫，空氣自此窄縫噴出，噴出的方向使被噴出的空氣沿管狀環的內壁前進，由於內壁的橫切面成翼型，基於伯努利定律使得在空氣噴出環的一邊的內壁表面成形成低壓，如此，形成環中心前方較後方低壓，後方的空氣因而被拉進往前，環內的大量空氣因此被牽引噴出。詹姆斯·戴森的原設計中，底座中使用無刷電動機推動壓縮機每秒吸入27L的空氣，而環狀出氣裝置卻有每秒405L的空氣噴出，因此又稱為“空氣倍增器”。

無葉風扇工作原理圖 

　　當然吹風並不能真正實現温度降低，要想實現科學降温，就不得不利用熱力學的知識。在現代技術中，一般有三類方法來實現低温：一類利用低温冷劑，一類通過氣體動力學作功，還有一類則是利用某些物理化學現象，如熱電效應、順磁效應、隧穿效應等。

隧穿效應 | 來源：新原理研究所

　　温度是表徵物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是分子熱運動的劇烈程度，理想氣體分子平均平動動能為：

　　其中 m 是分子質量，

　　是分子平方平均速率，k 是玻爾茲曼常數，T 是温度。這説明温度越高，分子運動越劇烈。物體間的温度差會引起熱能傳遞現象。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。只要在物體內部或物體間有温度差存在，熱能就必然以以上三種方式中的一種或多種從高温到低温處傳遞。

使用冰塊作為低温冷劑降温的雞尾酒

　　低温冷劑便是利用低温物體與高温物體接觸實現高温物體的降温，比如在可樂里加冰塊，還有物理所傳統技藝——液氮冰淇淋。聰明的古人早在周代就開始在冬天採集冰塊放入冰窖儲藏，等夏天再取出來消暑。到了現代社會，隨着空氣液化技術和杜瓦技術成熟，這種簡單粗暴的製冷方式不但沒有淘汰，反而應用於各種高大上的實驗設備中，比如掃描隧道顯微鏡（STM）、磁學測量系統（MPMS）等。常壓下液氮的液化温度為77K（-196℃）、液氦液化温度為4.2K（-268.95℃），可以為物理實驗提供穩定的低温環境，儘可能排除熱漲落的干擾，從而觀察到一些奇妙的量子現象。

　　要談氣體動力學製冷，就得直面大名鼎鼎的“卡諾循環”。1824年，法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾提出了卡諾循環(Carnot cycle)來分析熱機的工作過程。

卡諾循環

　　卡諾循環是假設只有兩個熱源（一個高温熱源温度T1和一個低温熱源温度T2）的簡單循環。由於工作物質只能與兩個熱源交換熱量，所以可逆的卡諾循環由兩個等温過程和兩個絕熱過程組成，在理想氣體的準靜態過程中進行能量轉化：等温膨脹過程I→II（在高温熱源吸熱 Q1 ）；絕熱膨脹過程II→III（ΔQ=0）；等温壓縮過程III→IV（在低温熱源放熱 Q2 ）；絕熱壓縮過程IV→I（ΔQ=0）。整個循環中氣體對外所作的淨功 W 應等於氣體在循環中所吸收的淨熱量 Q1-Q2 。理想的卡諾循環效率為（詳細計算過程可查《熱力學·統計物理》）：

　　這説明卡諾循環效率只與兩個熱源的温度有關，且在有限温度內不可能達到1，不過可以通過升高高温温度和降低低温温度來增大效率。

斯特林發動機 I | 來源：看點快報

　　1816年，英國倫敦的牧師羅巴特·斯特林（Robert Stirling）發明了斯特林發動機（Stirling engine），它理論上的效率幾乎等於理論最大效率——卡諾循環效率。斯特林發動機是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產生動力的。它是一種外燃發動機，使燃料連續地燃燒，蒸發的膨脹氫氣（或氦）作為動力氣體使活塞運動，膨脹後的氣體又在冷氣室裏被冷卻，反覆地進行這樣的循環過程。

斯特林發動機 II | 來源：看點快報

斯特林發動機 III | 來源：看點快報

　　由於準靜態過程可逆，如果令整個卡諾循環反向進行，依次經狀態 I→IV→III→II 而回到狀態I，就需要外界對系統作功，在低温熱源 T2 吸熱 Q2 ，在高温熱源 T1 放熱 Q1 ，這個逆循環正是理想製冷器的工作循環，其作用是把熱量從低温物體送到高温物體。

　　斯特林製冷器示意圖，該系統由一個活塞在環境温度 Ta, 一個活塞在低温 TL | 來源：wiki

斯特林循環的四種狀態 | 來源：wiki 

　　斯特林製冷器正是利用逆卡諾循環來實現降温的，它由冷熱活塞、冷量換熱器、冷卻器、回熱器和兩個氣缸組成。冷卻循環分為4個步驟；

　　等温壓縮過程a→b：冷活塞固定，熱活塞右移，以環境温度 Ta 放熱 Qa ；

　　定容放熱過程b→c：兩個活塞同時向右移動，氣體的體積保持不變，當熱氣體通過回熱器時，將熱量傳給填料，因而温度由 Ta 降低到 TL ；

　　等温膨脹過程c→d：熱活塞固定，冷活塞右移，温度為 TL 的氣體進行等温膨脹，從低温熱源（冷卻對象）吸收一定的熱量 QL（製冷量）；

　　定容吸熱過程d→a：兩個活塞同時向左移動直至左止點,氣體體積保持不變，回覆到起始位置。當温度為 TL 的氣體流經時從回熱器填料吸熱，温度升高到 Ta。

　　外界對製冷器作功：

　　效率為：

　　發現其理想效率也只與兩個温度有關。斯特林製冷器具有結構緊湊、工作温度範圍寬、啓動快、效率高、操作簡便等優點。兩空間製冷機温度可達 80 K。三空間製冷機温度可達 10.5-20 K。四空間製冷機温度可達 7.8 K。冷頭最底温度達到6K到 3.1 K的斯特林製冷器也已研製成功。除此之外，還有Gifford-Mcmahon(GM) 製冷器、脈衝管制冷器、節流製冷器等等。

　　説完理想的卡諾循環熱機和製冷器後，再來談談它在空調上的應用。1902年後期，首個現代化、電力推動的空氣調節系統由威利斯·開利發明。空調的核心原理也是逆卡諾循環，再加上冷媒（如二氟一氯甲烷）的狀態改變進行熱量的轉化來對有限空間進行降温。

　　如圖所示，壓縮機 1 將低温常壓氣態的冷媒壓縮成高温高壓氣態，然後輸送到室外機的冷凝管 3 處散熱後成為常温高壓液態，因此室外機風扇 2 吹出來的是熱風。然後流入細管 4 再進入室內機的蒸發器旋管 5 ，此處空間增大，壓力減小，液體汽化吸收大量的熱量，冷媒變成低温常壓氣態，室內機的風扇 6 將空氣吹過蒸發器從而產生冷風，氣體再經過壓縮機 1 ，又是一個新的製冷循環。

空調工作原理示意圖 | 來源：removeandreplace.com

　　利用某些物理化學現象來製冷也並不罕見。熱電製冷又稱作温差電製冷或半導體制冷，它是利用熱電效應（帕爾帖效應）的一種製冷方法。

熱電製冷原理示意圖 | 來源：58ytr.com

　　1834年法國物理學家J. C. A. 帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電後發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷。這説明兩種不同材料組成的電迴路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發生了吸放熱現象，這就是熱電製冷的現象。半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電製冷器。熱電製冷器的產冷量一般很小，所以不宜大規模和大製冷量使用。但由於它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜於微型製冷領域或有特殊要求的用冷場所。

磁製冷原理示意圖 | 來源：baike

　　磁製冷是一種利用磁性材料的磁熱效應來實現製冷的新技術。磁熱效應（magnetocaloric effect，MCE）是一種變化磁場下磁性材料磁矩有序度發生變化而導致的熱現象。在磁性材料被磁化時，磁矩有序度增加，磁熵減小，温度上升，向外界放出熱量；退磁時，磁性材料磁矩有序度減少，磁熵增加，温度下降，從外界吸收熱量。1881 年，Warburg在金屬鐵中首次發現了這種現象，隨後 Giauque進行了絕熱去磁的應用研究，並於1927年獲得小於1 K的低温。

　　講了這麼多，小編的頭突然覺得還挺涼快的～

　　參考文獻：

　　[1] 汪志誠.《熱力學·統計物理》

　　[2] 無葉風扇. 維基百科 

　　[3] 接近絕對零度的死寂中，居然隱藏着量子計算這樣的大殺器？

　　[4] 斯特林發動機原理 

　　[5] Cryocooler. 維基百科

　　[6] 熱電效應. 百度百科

　　[7] 絕熱去磁製冷. 百度百科