夏天真是讓人又愛又恨的季節(jié)，小編早早就準(zhǔn)備好了空調(diào)、Wi-Fi、西瓜夏日消暑標(biāo)配神器。酷暑難耐，想必很多人和我一樣，半條命都是空調(diào)給的。不過大家有沒有想過溫度是如何降下來(lái)的？最簡(jiǎn)單的方式當(dāng)然是扇風(fēng)。雖然吹風(fēng)不能使空氣的溫度降低，但是空氣的流動(dòng)會(huì)加速皮膚表面汗水的蒸發(fā)作用，從而將體表的熱量帶到空氣中，達(dá)到散熱降溫的作用。電風(fēng)扇便是利用了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，扇葉與旋轉(zhuǎn)面呈一定角度，旋轉(zhuǎn)時(shí)以斜切的方式擠壓受力面的空氣，從而產(chǎn)生氣流。扇葉做成流線型可以避免不必要的摩擦損耗動(dòng)能，同時(shí)可以減小噪音。扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)上部空氣受力“流走”而原來(lái)所在的位置會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。而下部空氣因?yàn)樨?fù)壓“流入”該區(qū)域，形成連續(xù)的空氣流動(dòng)。扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣流動(dòng)示意圖無(wú)葉風(fēng)扇近幾年也好好地火了一把，其外表看起來(lái)高級(jí)炫酷，無(wú)葉設(shè)計(jì)不會(huì)覆蓋塵土或者傷害到兒童的手指?？赡懿簧倥笥褧?huì)好奇無(wú)葉風(fēng)扇沒有扇葉，風(fēng)是從哪里來(lái)的？無(wú)葉風(fēng)扇最早于1981年由日本東京芝浦公司取得設(shè)計(jì)專利，在2009年由英國(guó)的詹姆斯·戴森（James Dyson）制造及投入市場(chǎng)。但它并非真正無(wú)扇葉，實(shí)際上只是扇葉隱藏在底座里面。無(wú)葉風(fēng)扇的底座設(shè)有離心式壓縮機(jī)，以葉片旋轉(zhuǎn)在底座四周吸入空氣、增壓，推送至風(fēng)扇頂部的中空的管狀環(huán)，管狀環(huán)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(huán)的內(nèi)壁前進(jìn)，由于內(nèi)壁的橫切面成翼型，基于伯努利定律使得在空氣噴出環(huán)的一邊的內(nèi)壁表面成形成低壓，如此，形成環(huán)中心前方較后方低壓，后方的空氣因而被拉進(jìn)往前，環(huán)內(nèi)的大量空氣因此被牽引噴出。詹姆斯·戴森的原設(shè)計(jì)中，底座中使用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)推動(dòng)壓縮機(jī)每秒吸入27L的空氣，而環(huán)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”。當(dāng)然吹風(fēng)并不能真正實(shí)現(xiàn)溫度降低，要想實(shí)現(xiàn)科學(xué)降溫，就不得不利用熱力學(xué)的知識(shí)。在現(xiàn)代技術(shù)中，一般有三類方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫：一類利用低溫冷劑，一類通過氣體動(dòng)力學(xué)作功，還有一類則是利用某些物理化學(xué)現(xiàn)象，如熱電效應(yīng)、順磁效應(yīng)、隧穿效應(yīng)等。隧穿效應(yīng) | 來(lái)源：新原理研究所溫度是表征物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，理想氣體分子平均平動(dòng)動(dòng)能為：其中 m 是分子質(zhì)量， 是分子平方平均速率，k 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是溫度。這說明溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。物體間的溫度差會(huì)引起熱能傳遞現(xiàn)象。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流。只要在物體內(nèi)部或物體間有溫度差存在，熱能就必然以以上三種方式中的一種或多種從高溫到低溫處傳遞。低溫冷劑便是利用低溫物體與高溫物體接觸實(shí)現(xiàn)高溫物體的降溫，比如在可樂里加冰塊，還有物理所傳統(tǒng)技藝——液氮冰淇淋。聰明的古人早在周代就開始在冬天采集冰塊放入冰窖儲(chǔ)藏，等夏天再取出來(lái)消暑。到了現(xiàn)代社會(huì)，隨著空氣液化技術(shù)和杜瓦技術(shù)成熟，這種簡(jiǎn)單粗暴的制冷方式不但沒有淘汰，反而應(yīng)用于各種高大上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，比如掃描隧道顯微鏡（STM）、磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（MPMS）等。常壓下液氮的液化溫度為77K（-196℃）、液氦液化溫度為4.2K（-268.95℃），可以為物理實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的低溫環(huán)境，盡可能排除熱漲落的干擾，從而觀察到一些奇妙的量子現(xiàn)象。要談氣體動(dòng)力學(xué)制冷，就得直面大名鼎鼎的“卡諾循環(huán)”。1824年，法國(guó)工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾提出了卡諾循環(huán)(Carnot cycle)來(lái)分析熱機(jī)的工作過程。卡諾循環(huán)是假設(shè)只有兩個(gè)熱源（一個(gè)高溫?zé)嵩礈囟萒1和一個(gè)低溫?zé)嵩礈囟萒2）的簡(jiǎn)單循環(huán)。由于工作物質(zhì)只能與兩個(gè)熱源交換熱量，所以可逆的卡諾循環(huán)由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成，在理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)過程中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化：等溫膨脹過程I→II（在高溫?zé)嵩次鼰?Q1 ）；絕熱膨脹過程II→III（ΔQ=0）；等溫壓縮過程III→IV（在低溫?zé)嵩捶艧?Q2 ）；絕熱壓縮過程IV→I（ΔQ=0）。整個(gè)循環(huán)中氣體對(duì)外所作的凈功 W 應(yīng)等于氣體在循環(huán)中所吸收的凈熱量 Q1-Q2 。理想的卡諾循環(huán)效率為（詳細(xì)計(jì)算過程可查《熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理》）：這說明卡諾循環(huán)效率只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，且在有限溫度內(nèi)不可能達(dá)到1，不過可以通過升高高溫溫度和降低低溫溫度來(lái)增大效率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) I | 來(lái)源：看點(diǎn)快報(bào)1816年，英國(guó)倫敦的牧師羅巴特·斯特林（Robert Stirling）發(fā)明了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（Stirling engine），它理論上的效率幾乎等于理論最大效率——卡諾循環(huán)效率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動(dòng)力的。它是一種外燃發(fā)動(dòng)機(jī)，使燃料連續(xù)地燃燒，蒸發(fā)的膨脹氫氣（或氦）作為動(dòng)力氣體使活塞運(yùn)動(dòng)，膨脹后的氣體又在冷氣室里被冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) II | 來(lái)源：看點(diǎn)快報(bào)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) III | 來(lái)源：看點(diǎn)快報(bào)由于準(zhǔn)靜態(tài)過程可逆，如果令整個(gè)卡諾循環(huán)反向進(jìn)行，依次經(jīng)狀態(tài) I→IV→III→II 而回到狀態(tài)I，就需要外界對(duì)系統(tǒng)作功，在低溫?zé)嵩?T2 吸熱 Q2 ，在高溫?zé)嵩?T1 放熱 Q1 ，這個(gè)逆循環(huán)正是理想制冷器的工作循環(huán)，其作用是把熱量從低溫物體送到高溫物體。斯特林制冷器示意圖，該系統(tǒng)由一個(gè)活塞在環(huán)境溫度 Ta, 一個(gè)活塞在低溫 TL | 來(lái)源：wiki斯特林循環(huán)的四種狀態(tài) | 來(lái)源：wiki 斯特林制冷器正是利用逆卡諾循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫的，它由冷熱活塞、冷量換熱器、冷卻器、回?zé)崞骱蛢蓚€(gè)氣缸組成。冷卻循環(huán)分為4個(gè)步驟；等溫壓縮過程 a→b：冷活塞固定，熱活塞右移，以環(huán)境溫度 Ta 放熱 Qa ；定容放熱過程 b→c：兩個(gè)活塞同時(shí)向右移動(dòng)，氣體的體積保持不變，當(dāng)熱氣體通過回?zé)崞鲿r(shí)，將熱量傳給填料，因而溫度由 Ta 降低到 TL ；等溫膨脹過程 c→d：熱活塞固定，冷活塞右移，溫度為 TL 的氣體進(jìn)行等溫膨脹，從低溫?zé)嵩矗ɡ鋮s對(duì)象）吸收一定的熱量 QL（制冷量）；定容吸熱過程 d→a：兩個(gè)活塞同時(shí)向左移動(dòng)直至左止點(diǎn),氣體體積保持不變，回復(fù)到起始位置。當(dāng)溫度為 TL 的氣體流經(jīng)時(shí)從回?zé)崞魈盍衔鼰幔瑴囟壬叩?Ta。發(fā)現(xiàn)其理想效率也只與兩個(gè)溫度有關(guān)。斯特林制冷器具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作溫度范圍寬、啟動(dòng)快、效率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。兩空間制冷機(jī)溫度可達(dá) 80 K。三空間制冷機(jī)溫度可達(dá) 10.5-20 K。四空間制冷機(jī)溫度可達(dá) 7.8 K。冷頭最底溫度達(dá)到6K到 3.1 K的斯特林制冷器也已研制成功。除此之外，還有Gifford-Mcmahon(GM) 制冷器、脈沖管制冷器、節(jié)流制冷器等等。說完理想的卡諾循環(huán)熱機(jī)和制冷器后，再來(lái)談?wù)勊诳照{(diào)上的應(yīng)用。1902年后期，首個(gè)現(xiàn)代化、電力推動(dòng)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)由威利斯·開利發(fā)明?？照{(diào)的核心原理也是逆卡諾循環(huán)，再加上冷媒（如二氟一氯甲烷）的狀態(tài)改變進(jìn)行熱量的轉(zhuǎn)化來(lái)對(duì)有限空間進(jìn)行降溫。如圖所示，壓縮機(jī) 1 將低溫常壓氣態(tài)的冷媒壓縮成高溫高壓氣態(tài)，然后輸送到室外機(jī)的冷凝管 3 處散熱后成為常溫高壓液態(tài)，因此室外機(jī)風(fēng)扇 2 吹出來(lái)的是熱風(fēng)。然后流入細(xì)管 4 再進(jìn)入室內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)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，冷媒變成低溫常壓氣態(tài)，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)扇 6 將空氣吹過蒸發(fā)器從而產(chǎn)生冷風(fēng)，氣體再經(jīng)過壓縮機(jī) 1 ，又是一個(gè)新的制冷循環(huán)。空調(diào)工作原理示意圖 | 來(lái)源：removeandreplace.com
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