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製冷的魔術

2015/5/6 — 9:00

Rona Proudfoot / flickr

Rona Proudfoot / flickr

冷和熱是我們日常生活中最切身的感受。「如何將一杯熱奶茶在最短時間內變成一杯凍奶茶?」是我們香港人基於生活趣味和幽默感所創作的獨有 IQ 題。最初的答案是「加兩元」(地道說法是「加兩蚊」),但今天百物騰貴,在不少茶餐廳裡要由熱飲改為凍飲的話,已經要加收三元了。

但除卻了 IQ 題的幽默外,大家有沒有從一個科學的角度想過,我們怎樣才可令物體的溫度下降,直至它降至遠遠在室溫 (room temperature) 之下呢?

留意我特別強調「在室溫之下」之一點,這是因為只要本身不是發熱體,任何物體即使原來的溫度很高,但隨著熱量不斷散逸,最後的溫度也會降至和週遭的環境一樣。這時物體與環境已經處於一種「熱平衡狀態 (thermal equilibrium) 」,因此溫度也不會再有變化。(舉一個較恐怖的例子:由於人是發熱體,所以生前與環境並不處於熱平衡;但死後不久,便會逐步趨向平衡而屍體達至室溫。)

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冷卻至室溫是一回事,但要物體的溫度降至低於室溫卻是另一回事。在古代,能夠接觸到冰雪的人類祖先,相信很早便懂得以冰雪來將食物冷藏,其間當然要進行隔熱以大大減慢冰雪融化的速度。顯然,這種冷凍技術的應用範圍十分有限,而且溫度也不能低於冰點。真正的「製冷的魔術」,還是有待現代科學興起之後才出現的。

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大家都知道,無論冷氣機還是電冰箱都是要用電的。用電來產生熱(電熱爐、電熱水煲)很易理解,但熱怎樣可以製造出冷呢?原來關鍵之處,在於任何液體在受熱之後,由液態轉化為氣態其間所吸收的「汽化潛熱」(latent heat of vaporization,又稱「蒸發潛熱」)。首先舉一個簡單的例子,筆者兒時跟家人回鄉探親時,外祖父母在農村的家門前有一張石板櫈。夏天日落後我們出外乘涼,卻發覺石櫈因受整日太陽照耀溫度仍然頗高。這時我的外婆會用一個斗掏來清水並灑在石板上。嘿!只要把石板略為抹掉,不出一會石櫈便會變得涼快可坐。

你可能會認為變得涼快是因為水的清涼,但事實卻是,即使我們以熱水灑向石板也會得出同樣的效果。關鍵原來不在於水的溫度(當然這也會有一定的幫助),而是在於水在蒸發時所帶走的大量熱能。

早於十八世紀,科學家便嘗試利用這個原理來「製冷」。他們發現,水在這方面不是最好的液體,例如酒精的揮發便較水吸熱更多。(大家打針前由護士替你用酒精消毒時,是否覺得皮膚十分涼快呢?)就是這樣,他們測試了一種又一種的「冷卻劑 (coolant) 」,並且發明了愈來愈巧妙的加壓減壓系統來令這些冷卻劑循環不斷地蒸發、凝結、再蒸發、再凝結、再…,而最終的結果是可以將一個密封環境的熱量不斷抽走,令它的溫度不斷向下調,直至遠遠低於水的冰點。

製冷技術對人類的生活帶來了巨大的轉變,例如食物的冷藏可以令它們得以長期儲存並被運送到世界各地。電冰箱已是今天家居所不可少,而除了居於寒帶的人,冷凍空氣調節亦是家居和工作中所不可或缺。但凡事有利亦有弊,這種技術亦大大提升了人類消耗能源的規模,而燃燒大量化石燃料來發電所排放的二氧化碳,已經透過「溫度效應」做成了「全球暖化」這個危機。我們懂得製冷的同時卻令整個地球變得愈來愈熱,這不能不說是一個諷刺。

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