猜猜为了抵御热浪，人类能干出什么事：从“冰制冷”到“太阳制冷” 如何享有清凉一夏？科学家们

文章图片
如何享有清凉一夏？科学家们在制冷领域不懈努力，在材料复合、物理结构设计等维度上无限创想，未来方向日渐明晰。制冷创新，全球正热。
【猜猜为了抵御热浪，人类能干出什么事：从“冰制冷”到“太阳制冷”】从古印度的蒸发制冷
到氟利昂的大起大落
人类与酷热斗争的历史，可以追溯到几千年前。在中国，先秦时代的人已经掌握采冰、储冰技术。希伯来人、古希腊人和古罗马人把大量的雪埋在储藏室地下的坑中，然后用木板和稻草来隔热。在古印度，蒸发制冷技术也得到了应用。当一种流体快速蒸发时，它迅速膨胀，升起的蒸汽分子的动能迅速增加，而增加的能量来自周围的环境中，周围环境的温度因此而降低。
中世纪时，冷却食物是通过在水中加入硝酸钠或硝酸钾而使温度降低， 1550年的相关记载中，冷却酒就是通过这种方法。这就是制冷工艺的起源。
在法国，冷饮是1660年开始流行的。人们通过在水里旋转装有溶解硝石的长颈瓶，来使水冷却。这个方法可以产生非常低的温度并且可以制冰。 17世纪末，带冰的酒和结冻的果汁在法国社会已非常流行。
1842年，美国佛罗里达医院的一位内科医生为了给黄热病患者治疗，设计和制造了一台空气冷却装置给病房降温。其基本原理是：压缩一种气体，通过盘管使它冷却，而后膨胀使其温度进一步降低，这也就是今天用得最多的制冷器。后来，他没有满足于病房的实践，进一步投入到制冰实验中，并在1851年获得关于机械制冰的第一项专利。
商业制冷起源于1856年，由一位美国商人开创。 1859年，法国人开利发明了一种更加复杂的制冷系统。以前的压缩机用空气作制冷剂，开利发明的设备用快速蒸发的氨作制冷剂。由于氨比水液化时的温度低，因此可以吸收更多热量。新一代制冷机得到了大范围推广。值得一提的是，蒸汽压缩式制冷仍是应用最广泛的制冷方法。历史记载， 1914年，美国几乎所有肉联厂都安装了制冷机械的氨压缩系统，每天的制冷能力超过90000吨。
在当时，这种制冷机也有其缺点，即成本高，体积大，系统复杂，再加上氨制冷剂有毒性，因此阻碍了其在家庭中的普遍应用。许多家庭的冰柜仍使用当地制冷工厂提供的冰块。
随着制冷技术的成熟，制冷剂这一核心要素的安全性问题进入人们的视野。 1929年，发生在美国俄亥俄州克利夫兰某家医院的冰箱泄漏事故使超过100人丧生。于是，科学家们对研制一种稳定、不易燃、不腐蚀且无毒的新型制冷剂产生了浓厚兴趣。借助于门捷列夫的化学地图，他们发现只有位于周期表右边的非金属元素能生成在室温下呈气态的化合物，同时化合物的可燃性从左到右依次减小。
1920年， Frigidaire公司开发了几种人工合成制冷剂，称为氯氟烃或CFCs ，制冷工程师才找到可接受的替代品。这就是人们所共知的新的代替物氟利昂。在化学上，氟利昂的结构是甲烷（CH4）里的4个氢原子被两个氯原子和两个氟原子所代替。除了分子量大之外，无臭无毒。
20世纪80年代后期，氟利昂的生产达到了高峰，产量超过144万吨。在对氟利昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000万吨。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以仍留在大气层中，其中大部分停留在对流层，一小部分升入平流层。在对流层相当稳定的氟利昂，进入平流层后，会在强烈的紫外线作用下被分解，释放出的氯原子同臭氧会发生连锁反应，不断破坏臭氧分子。科学家估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。根据资料， 2003年臭氧空洞面积已达2500万平方公里。臭氧层被大量损耗后，吸收紫外线辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面的紫外线明显增加，给人类健康和生态环境带来多方面的危害。