注水抽汽與冰箱空調探析

吳燾

（中山大學深圳研究院，廣東 深圳518057）

1 概述

冰箱和空調是很重要的兩種家用電器，前者對貯藏物品制冷，后者對室內氣體制冷。冰箱通常用于貯藏食品，防止物質變性、腐敗。作為電器，它的外觀是封閉的，如同容器（container），主要功率作用于封裝之內，內外之間的連接依賴箱門，人工開合。空調則相反，它如同一個連接器（connector），主要功率用在了連接處。盡管如此，它所連接的兩個空間都比自身體積大很多。一個空間是室內，一般設定為經常閉合、偶爾開啟。另一個空間是室外，一般認為是自然界，設定為一直開啟。

冰箱和空調都是制冷設備，工作原理服從熱力學。通常認為，冰箱和空調依賴于膨脹氣體做功，體現了熱交換，電力充當能量來源。實際上，從空調原理分析，它依賴注水抽汽。其一，它對氟利昂及其替代物質并不嚴格依賴，也可以用水（H2O）。其二，它不僅是膨脹做功導致能量下降，而且是由于物質交換導致能量損失。冰箱與空調一致，也依靠注水抽汽，只不過空間更為緊致。熱力學第二定律中的活塞原理因此有失誤之處。

2 活塞原理的失誤

熱力學第一定律：能量要么消失，要么產生，可以儲存[1]。

熱力學第二定律：能量從低溫物體傳遞到高溫物體需要做功。熱力學第二定律有時又被稱為熵增原理，可以用于描述商業活動[2]。熱力學第二定律如同物質能級中的電子躍遷[3]。

活塞原理：活塞運動是熱力學第二定律的一個實例[4]。它假設理想氣體在氣缸中貯存，分四個步驟運動。外界對氣體進行加熱、做功，氣體最后通過膨脹推動活塞運動，并降低氣溫。在整個活塞運動周期中，要求系統絕熱。

實際上，能量交換歸功于兩個因素，其一是膨脹氣體與外界氣體的交換，其二是膨脹氣體對阻力做功。不應該將活塞運動中的理想氣體設為封閉的體系，活塞內的空間不應當設定為絕熱。絕熱的設想只考慮到了氣體容器周圍封閉，而沒有考慮到活塞附近的空隙。這種空隙相當于物質流通的孔道，不宜忽略。它如同數學分析中的奇點，又似水空間的蒸汽連通器。從半導體器件原理來看，它如同PN 結，少數載流子會通過物質交換進入多數載流子的耗盡層。活塞原理只注意到能量通過做功傳遞，沒有注意到能量通過物質進行交換。單位體積內物質能量密度變化不僅是由于原有物質溫度的變化，而且是由于外界不同溫度物質的進入。

3 注水抽汽與冰箱空調

通常的空調稱為Air conditioner, 意為空氣調節器。注水抽汽的原理圖如圖1 所示。從圖1 可見，低溫氣體或蒸汽進入屋內，高溫氣體釋出屋外。之所以釋出時氣溫高，是因為氣體靠近房屋安裝空調的窗戶，墻面邊界的溫度較高，導致靠近窗戶的位置氣體溫度較遠離窗戶的氣體溫度高。

圖1 注水抽汽原理圖

從形式上看，通過自來水管道和門補充水蒸汽，通過窗戶交換室外熱空氣。空調的作用除了降溫外，還可以清潔空氣。清潔的熱空氣進入，污濁的冷空氣排出。從液體到氣體的相變吸收熱量，可以降低室內環境的溫度。室內空氣在排出的過程中與戶外高溫氣體交互，會導致室內氣體溫度升高。總體而言，室內環境溫度降低。

圖2 顯示了兩種熱交換的相對作用。從低溫液體到低溫氣體的相變能起主要作用，降低熱量。排出冷空氣、進入熱空氣局部吸收熱量，起次要作用。需要注意的是，在空調的使用中，時常發生氣體干燥的情形，這也許是為了降溫，將水蒸汽排出太快所致。

圖2 相變能量及熱量變化的柱狀圖

為了迅速降低溫度，就需要增大熱交換。從注水抽汽的觀點來看，增大熱交換就會加快物質循環。即液態水或其它物質迅速氣化為水蒸汽，同時水蒸汽快速與室外熱空氣交換。在保持能量守恒的同時，需要維持氣壓穩定，即室內氣體物質守恒。因此，快速降溫的同時，進入排出室內的氣流也會變大。

冰箱是一種利用電力致冷的設備，如圖3 所示。它的電力做功似乎主要是將液體或水氣化，并排出氣態的水蒸汽。同時吸收部分外界空氣。

圖3 冰箱示意圖

空調的原理形式上符合熱力學定律，與注水蒸汽也不相矛盾。使用空調的步驟包括：適當封閉室內環境，開啟空調開關，進行氣態交換。通常人們忽略了室內外氣體交換的重要性，而拔高了空調機內氟利昂近似物質的作用。實際上，空調機內物質不是制冷的主要氣體，對于熱交換不起主要作用。活塞原理的失誤對于空調而言尤其明顯，進出氣孔道有大量物質交換，不適用于絕熱條件。

空調加熱原理較為簡單，它通過加熱水蒸汽擴散熱量，抽出部分熱空氣，進入部分冷空氣。

有的海上冰山、陸地冰川也許使用了注水抽汽的宏觀空調、碩大冰箱，將電力、建筑和環境合為一體。利用開關線路、物聯網控制電力加熱及電網放電，可以將局部環境中的水迅速氣化，導致溫度降低。它與大風來臨時氣溫降低相似。如此，它可以導致水面在低溫時結冰。也可以導致水蒸汽在山體的陰暗處遇冷結冰。通過將冰下的水氣化，還可能增厚冰層。對于陸地冰川而言，則可以一方面將水氣化、降低剩下的物體溫度，并在水蒸汽上升的過程中，利用電力射擊、使之聚集在山頂，或者凝結，或者圍繞，一旦氣冷便可以生長冰山。外地循環的水蒸汽也可能遇冷凝結，降雨也可能結冰而附著。

明代江南士紳熱衷于文藝活動，其中的重要場所包括南京秦淮河邊的河房[5]。這種水房利用水流制冷。運動中的水容易騰空氣化，可以直接降低周圍的溫度。不僅如此，水自身也可以將周圍土壤、石頭中的熱量帶走。此時，河流如同注水，兩岸如同抽汽。

4 結論

現代家用電器常見用于制冷，包括冰箱、空調。通常它們的工作原理符合熱力學，并以膨脹氣體熱力做功加以解釋。實際上，空調、冰箱等制冷電器的科學原理可能是注水抽汽，即注入水，抽走汽。家用電器內外不僅存在能量的交換，而且發生物質的交換。物質的交換是能量交換的載體，物質守恒是能量守恒的基礎。注水抽汽除可以用于家用電器外，還可用于科學儀器中的制冷設備、環境保護中改造冰川、冰山環境。