注水抽汽与冰箱空调探析

吴焘

（中山大学深圳研究院，广东 深圳518057）

1 概述

冰箱和空调是很重要的两种家用电器，前者对贮藏物品制冷，后者对室内气体制冷。冰箱通常用于贮藏食品，防止物质变性、腐败。作为电器，它的外观是封闭的，如同容器（container），主要功率作用于封装之内，内外之间的连接依赖箱门，人工开合。空调则相反，它如同一个连接器（connector），主要功率用在了连接处。尽管如此，它所连接的两个空间都比自身体积大很多。一个空间是室内，一般设定为经常闭合、偶尔开启。另一个空间是室外，一般认为是自然界，设定为一直开启。

冰箱和空调都是制冷设备，工作原理服从热力学。通常认为，冰箱和空调依赖于膨胀气体做功，体现了热交换，电力充当能量来源。实际上，从空调原理分析，它依赖注水抽汽。其一，它对氟利昂及其替代物质并不严格依赖，也可以用水（H2O）。其二，它不仅是膨胀做功导致能量下降，而且是由于物质交换导致能量损失。冰箱与空调一致，也依靠注水抽汽，只不过空间更为紧致。热力学第二定律中的活塞原理因此有失误之处。

2 活塞原理的失误

热力学第一定律：能量要么消失，要么产生，可以储存[1]。

热力学第二定律：能量从低温物体传递到高温物体需要做功。热力学第二定律有时又被称为熵增原理，可以用于描述商业活动[2]。热力学第二定律如同物质能级中的电子跃迁[3]。

活塞原理：活塞运动是热力学第二定律的一个实例[4]。它假设理想气体在气缸中贮存，分四个步骤运动。外界对气体进行加热、做功，气体最后通过膨胀推动活塞运动，并降低气温。在整个活塞运动周期中，要求系统绝热。

实际上，能量交换归功于两个因素，其一是膨胀气体与外界气体的交换，其二是膨胀气体对阻力做功。不应该将活塞运动中的理想气体设为封闭的体系，活塞内的空间不应当设定为绝热。绝热的设想只考虑到了气体容器周围封闭，而没有考虑到活塞附近的空隙。这种空隙相当于物质流通的孔道，不宜忽略。它如同数学分析中的奇点，又似水空间的蒸汽连通器。从半导体器件原理来看，它如同PN 结，少数载流子会通过物质交换进入多数载流子的耗尽层。活塞原理只注意到能量通过做功传递，没有注意到能量通过物质进行交换。单位体积内物质能量密度变化不仅是由于原有物质温度的变化，而且是由于外界不同温度物质的进入。

3 注水抽汽与冰箱空调

通常的空调称为Air conditioner, 意为空气调节器。注水抽汽的原理图如图1 所示。从图1 可见，低温气体或蒸汽进入屋内，高温气体释出屋外。之所以释出时气温高，是因为气体靠近房屋安装空调的窗户，墙面边界的温度较高，导致靠近窗户的位置气体温度较远离窗户的气体温度高。

图1 注水抽汽原理图

从形式上看，通过自来水管道和门补充水蒸汽，通过窗户交换室外热空气。空调的作用除了降温外，还可以清洁空气。清洁的热空气进入，污浊的冷空气排出。从液体到气体的相变吸收热量，可以降低室内环境的温度。室内空气在排出的过程中与户外高温气体交互，会导致室内气体温度升高。总体而言，室内环境温度降低。

图2 显示了两种热交换的相对作用。从低温液体到低温气体的相变能起主要作用，降低热量。排出冷空气、进入热空气局部吸收热量，起次要作用。需要注意的是，在空调的使用中，时常发生气体干燥的情形，这也许是为了降温，将水蒸汽排出太快所致。

图2 相变能量及热量变化的柱状图

为了迅速降低温度，就需要增大热交换。从注水抽汽的观点来看，增大热交换就会加快物质循环。即液态水或其它物质迅速气化为水蒸汽，同时水蒸汽快速与室外热空气交换。在保持能量守恒的同时，需要维持气压稳定，即室内气体物质守恒。因此，快速降温的同时，进入排出室内的气流也会变大。

冰箱是一种利用电力致冷的设备，如图3 所示。它的电力做功似乎主要是将液体或水气化，并排出气态的水蒸汽。同时吸收部分外界空气。

图3 冰箱示意图

空调的原理形式上符合热力学定律，与注水蒸汽也不相矛盾。使用空调的步骤包括：适当封闭室内环境，开启空调开关，进行气态交换。通常人们忽略了室内外气体交换的重要性，而拔高了空调机内氟利昂近似物质的作用。实际上，空调机内物质不是制冷的主要气体，对于热交换不起主要作用。活塞原理的失误对于空调而言尤其明显，进出气孔道有大量物质交换，不适用于绝热条件。

空调加热原理较为简单，它通过加热水蒸汽扩散热量，抽出部分热空气，进入部分冷空气。

有的海上冰山、陆地冰川也许使用了注水抽汽的宏观空调、硕大冰箱，将电力、建筑和环境合为一体。利用开关线路、物联网控制电力加热及电网放电，可以将局部环境中的水迅速气化，导致温度降低。它与大风来临时气温降低相似。如此，它可以导致水面在低温时结冰。也可以导致水蒸汽在山体的阴暗处遇冷结冰。通过将冰下的水气化，还可能增厚冰层。对于陆地冰川而言，则可以一方面将水气化、降低剩下的物体温度，并在水蒸汽上升的过程中，利用电力射击、使之聚集在山顶，或者凝结，或者围绕，一旦气冷便可以生长冰山。外地循环的水蒸汽也可能遇冷凝结，降雨也可能结冰而附著。

明代江南士绅热衷于文艺活动，其中的重要场所包括南京秦淮河边的河房[5]。这种水房利用水流制冷。运动中的水容易腾空气化，可以直接降低周围的温度。不仅如此，水自身也可以将周围土壤、石头中的热量带走。此时，河流如同注水，两岸如同抽汽。

4 结论

现代家用电器常见用于制冷，包括冰箱、空调。通常它们的工作原理符合热力学，并以膨胀气体热力做功加以解释。实际上，空调、冰箱等制冷电器的科学原理可能是注水抽汽，即注入水，抽走汽。家用电器内外不仅存在能量的交换，而且发生物质的交换。物质的交换是能量交换的载体，物质守恒是能量守恒的基础。注水抽汽除可以用于家用电器外，还可用于科学仪器中的制冷设备、环境保护中改造冰川、冰山环境。