艾莎公主的冷凍魔力居然這么厲害！

艾莎公主的冷凍魔力有多厲害？

作者：祝磊

喜歡《冰雪奇緣》的小朋友都知道艾莎公主擁有一種神奇的魔力，只要她摘下手套，手指一點就能把一大片地方瞬間凍成冰。

從物理學的角度看，艾莎公主相當于一臺強大的制冷機，能夠急速把周圍空氣中的水蒸氣降溫冷凍成冰。

制冷機的物理原理是怎樣的呢？

我們不妨看看家里用的電冰箱，它可以把冷凍室內空氣中的水蒸氣凍成冰，因為冷凍室的溫度可以低至零下 18 攝氏度。而電冰箱外的環(huán)境溫度可能是零上 40 攝氏度。如果電冰箱斷電不工作，冷凍室的溫度就會跟電冰箱外的環(huán)境溫度一樣，你辛辛苦苦凍的冰棍只能 化掉。一旦電冰箱通電，電力驅動壓縮機做功，壓縮氣態(tài)制冷劑，氣 態(tài)制冷劑獲得能量，其壓強升高，溫度也升高，進入冷凝器后釋放熱 量，就凝結為液體。

然后，液體進入毛細管，由于毛細管的阻礙，壓強降低，進入蒸發(fā)器中。壓縮機反過來擴張，使得蒸發(fā)器內壓強進一步降低，加快了液體的蒸發(fā)。蒸發(fā)是一個吸熱的過程，把冷凍室內的熱量帶走，導致冷凍室的溫度降低。

壓縮機不斷循環(huán)工作，推動制冷劑在冷凝器、毛細管和蒸發(fā)器中循環(huán)運動，就能將冷凍室降到零下 18 攝氏度。

無氟冰箱和保護臭氧層

以前電冰箱常用到的制冷劑是氟利昂，它是有機物，容易汽化和液化。但是它能夠分解出氯，跟大氣層中的臭氧層發(fā)生化學反應，從 而破壞臭氧層。臭氧層能吸收太陽光中的大部分紫外線，從而保護地 球上的人類和動植物免遭紫外線的傷害。

前面我們講過，太陽紫外線照射時間太長會對皮膚造成傷害。所 以，臭氧層對保護我們的身體健康至關重要，而氟利昂則是破壞臭氧 層的殺手。因此，人們做出了限制生產和使用氟利昂的決定，我國在2002 年停止生產氟利昂?，F在，我國市場上出售的冰箱都是無氟冰箱，其中的制冷劑不再是氟利昂，而是四氟乙烷等。

從能量的角度看冰箱的制冷過程

如果我們從能量的角度分析冰箱的制冷過程，就會發(fā)現電能輸入壓縮機，使壓縮機對制冷劑做功 W（通常用 W 表示功率），這是電能轉化成機械能。然后制冷劑通過冷凝器向外界釋放熱量Q1（通常用 Q 表示熱量，此處標記為 Q1），又經過蒸發(fā)器吸收熱量 Q2。根據能量守恒定律或者熱力學第一定律，Q1=Q2+W。

這個向外界釋放的熱量（Q1）會導致電冰箱的側壁發(fā)熱，小朋友去摸一下自家的電冰箱就知道了。所以，用了電冰箱，可能導致你家的溫度升高。這個熱量（Q1）是我們不需要的，小朋友可以想想怎么 利用這個能量，不要讓它白白耗散到空氣中。

制冷劑經過蒸發(fā)器吸收的熱量（Q2）是我們所需要的，它可以降低冷凍室的溫度，能夠凍冰棍、長時間保存食品。我們希望它越大越好。

壓縮機做的功是消耗電能得來的，需要我們花錢付電費，這個功當然越小越好。實際上，人們定義了一個制冷系數 Q2/W 來表示電冰箱制冷的性能，接近我們常說的性價比。

我們發(fā)現，Q1 和 Q2，一個釋放能量，一個吸收能量，如果它們相等，不就沒有 W 什么事了嗎？電冰箱就不用耗電了。這好像也不違反能量守恒定律和熱力學第一定律。但是事實上并沒有這樣的冰箱 出現，這是為什么呢？因為熱學里除了熱力學第一定律，還有熱力學 第二定律：熱量只能自發(fā)地從高溫物體轉移到低溫物體，而不能自發(fā) 地從低溫物體轉移到高溫物體。

所以，在現實生活中，你會看到熱水和冷水混在一起，熱水溫度 降低，冷水溫度升高，最終兩者溫度相同。而不會看到，熱水溫度變 得更高，冷水溫度變得更低。要實現后一種情形，必須對它們做功。也就是說，冰箱如果不通過輸入電能做功，是不可能使冷凍室的溫度 降低而外界的溫度升高的。

如果艾莎公主灑出四氟乙烷或者干冰，哪個結冰會更快？

回過頭來說艾莎公主的魔力，假如她纖手一揮，灑出四氟乙烷， 然后運用內力壓縮四氟乙烷做功。四氟乙烷壓強增大，溫度升高，向 外放熱，然后艾莎公主纖手一收，運用內力抽吸四氟乙烷，壓強降 低，迅速蒸發(fā)，吸走大量熱量，于是周圍結冰。這樣似乎可以解釋 得通。但是這種操作要求艾莎公主像一個武林高手一樣有著深厚的 內力。

另外一種對內力沒有要求的辦法就是使用干冰（固態(tài)的二氧化碳）來實現。由于干冰的凝固點（零下 78.5 攝氏度）很低，它在常溫的空氣中迅速升華成氣態(tài)，這個過程會大量吸熱，使得環(huán)境溫度降低，有可能降到冰點以下。

所以艾莎公主只要纖手一揮，灑出干冰，就可能把周圍凍上。這個過程相當于高溫物體（空氣）向低溫物體（干冰）釋放熱量，可以自發(fā)進行，不需要艾莎公主額外運用內力做功，可以說這是一項門檻 極低的冰凍魔法。

唯一要注意的是，攜帶干冰時防止凍傷。

還有一件事，艾莎公主的魔法冰凍速度極快，幾乎是眨眼之間。這個過程中能量轉移是一定的，時間越短，表明單位時間內能量的轉 移越高，也就是功率越高，因為功率 = 功 ÷ 時間。

我們知道“冰凍三尺，非一日之寒”，看起來，艾莎公主要瞬間把眼前世界冰凍起來，功率要求太高，恐怕不現實。

當然，《冰雪奇緣》本來就是超現實的童話故事。

劃 重 點

1.制冷機的原理。制冷機是通過對制冷劑做功，使制 冷劑向外界放出熱量，然后制冷劑減壓蒸發(fā)，吸收熱量， 使得溫度降低，達到制冷效果。

2.能量守恒定律、熱力學第一定律和熱力學第二定律。能量守恒定律和熱力學第一定律說的是能量既不能憑空創(chuàng)造，也不能憑空消失，而只會發(fā)生轉移。熱力學第二定律說的是能量轉移是有方向的，只能自發(fā)由高溫物體轉移到低溫物體，而不能反過來。要想反過來，就必須對低溫物體做功。這也是制冷機為什么必須先輸入功的原因。

3.功率。功率是單位時間內做的功，制冷機制冷需要一定的時間，像艾莎公主那樣的冰凍魔力大概只能存在于童話里。

本文節(jié)選自《給孩子的物理啟蒙課》（祝磊 著，中國婦女出版社，2022）