為了預防讀者一鍵劃走(dog),開頭先說答案,不能用冰箱來代替空調,來調節室内溫度。
因為冰箱的原理去空調大體相同,我們可以從空調的制冷原理入手去分析。
首先要明白的是空調的制冷效果并不是“憑空”的釋放出冷氣使室内的溫度降低,而是通過某種方式将室内的“熱”轉移到室外(空調室外機風扇吹出的熱氣),從而實現了室内的溫度比室外的溫度要低,也就實現了制冷效果。
那空調究竟有什麼樣的神奇魔力可以使“熱量”轉移呢?我們都知道,桌子上的一杯熱茶會随着時間的推移而溫度越來越低,溫度直至下降到與環境周圍相同的溫度,最終“不幸”地變成一杯涼茶。這很容易理解,但是這個過程可以反過來嗎?能讓一杯涼茶通過自發地吸收周圍環境的熱量而變成一杯熱騰騰的熱茶嗎,顯然不可能,涼茶的溫度最多升至與環境相同的溫度,而不能高于它。
熱力學第二定律指出,物體内部或者物體之間,隻要有溫差的存在,就有熱量自發地從高溫物體傳遞到低溫物體中,但不能自發地沿相反方向進行。克勞修斯表述為:熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體,但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體;
但是可以通過逆循環方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體,空調就是如此。熱的逆循環即消耗機械能(做功)将熱量從低溫物體傳遞到高溫物體的循環。逆循環過程外界對系統做功,系統放出熱量(你發現了什麼?),一般用于制冷機,冰箱和空調就是比較常見的一種應用。
空調室内機
按循環的目的不同,又可分為制冷循環和供熱循環。
空調室外機
那麼空調具體是怎樣給原本室内、外溫度相同的條件下制造溫度差異的呢(室内制冷效果)呢?
原理
空調的實現運用了物态變化的原理,即液體汽化吸熱(沸騰吸熱)、氣體液化放熱(冷凝放熱)。當把酒精擦拭在皮膚上時會感覺到發涼,這就是酒精蒸發吸收皮膚的熱量—汽化吸熱;高壓鍋排氣口噴出的水蒸氣不小心碰到手時會迅速液化,在短時間沒釋放出大量的熱會導緻手部燙傷,這就是液化放熱。空調大體由室外機和室内機組成,兩者之間由特制的管道(一般是金屬銅)相連,形成一個封閉的回路,這個回路中就存在有制冷劑,以前的制冷劑大多是氟利昂,由于氟利昂洩露會破壞臭氧層而被其它制冷劑替代。
步驟一:蒸發吸熱
制冷劑的沸點很低,液态的制冷劑在管道流經室内機的蒸發器使會吸收室内的熱量而蒸發成氣體,因此蒸發器的器壁(銅管道)溫度會急劇下降為一個低溫源,室内機内部的風扇吹出的風經過蒸發器溫度下降,就形成了空調吹出的冷風。另外,在室外通過塑料管排出地斷斷續續的冷水滴就是室内機中蒸發器表面冷凝的水珠(類似于剛從冰箱裡拿出一瓶啤酒,冰冷的瓶壁會不斷有液化的水珠)。
圖片引用自“钛科普”
步驟二:冷凝放熱
經過蒸發器吸收熱量變成氣态的冷凝劑在流經室外機的過程中會經過一個壓縮機,将氣态的冷凝劑壓縮成液态,因為液化放熱,持續液化的冷凝劑在室外機的冷凝器中不斷放熱,再由室外機中的風扇将冷凝器中的熱量加速排出,形成一股熱風,這就是我們為什麼經過空調室外機的風扇時被吹到的是熱風。
至于氣态的冷凝劑在加壓時變成液體是因為液體沸點與壓強有關:壓強越大,沸點越高,壓強越小,沸點越低。這也是為什麼高壓鍋可以更容易煮熟東西的原因。氣态冷凝劑加壓後其處于液态時的沸點升高,進而冷凝劑回到液态狀态。
經過冷凝器液化放熱的制冷劑回到室内機的蒸發器時需要通過一個叫做膨脹閥的裝置(使液體壓力下降的裝置),即使是經過冷凝器液化放熱,通過膨脹閥前的液态制冷劑溫度仍然較高,“中溫高壓”的液态制冷劑經過膨脹閥後壓力和溫度均會下降,壓力下降,制冷劑沸點就下降。這裡補充一個知識點,膨脹閥出口出是一個狹小的通道,快速通過此處的冷凝劑溫度會明顯下降,(打個比喻,人張開嘴巴大口哈氣時你的手能感受到呼出來的氣是較溫暖的,當你小口吹氣時,吹出來的氣的溫度明顯較低。)滿足特定條件後,沸點下降的冷凝劑經過室内機的蒸發器後再次吸收室内的熱量變成氣态。到此,開始下一個循環。
補充一下,空調的制暖效果就是制冷循環的逆過程。
總的來說空調的制冷效果就是通過制冷循環來實現的,在封閉的制冷系統中使用一定量的制冷劑來反複壓縮,冷凝,膨脹和蒸發,并在蒸發器中不斷吸收熱量并蒸發,通過冷凝器排出熱量,從而冷卻下來。
圖片引用自“钛科普”
回到最初的問題,“可以用冰箱來代替空調,來調節室内溫度嗎?”,答案顯而易見是不可能實現。空調可以使室内溫度降低是因為将室内的熱量轉移到了室外,而冰箱并沒有室外機排出熱量,長時間打開冰箱門反而會增加其負載的消耗,使室内更加燥熱。
從做功的角度去分析就知道,熱力學第一定律指出:一個熱力學系統的内能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。将室内看成一個孤立系統,驅動空調運轉需要電能,電能驅動空調中的壓縮機工作(電能轉化為機械能),符合“熱力學系統的内能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和”中的“外界對它所做的功”,故“室内”這個熱力學系統的内能是增大的,宏觀上了表現為系統的溫度增加(或者說空調的局部制冷效果是以某處産生更多的熱為代價的),在室内使用冰箱來降溫等價于将空調室外機放在室内,隻會使室内的溫度越來越高。
結論:冰箱無法像空調那樣降低室内的溫度,它隻能讓室内的溫度升高,因此不能用冰箱來代替空調去調節室内溫度。
備注:小編隻是一個普普通通的業餘科普愛好者,文章涉及的科學解答如有不妥之處還請諒解,并希望可以給我留言指正。
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