材料百态

喜欢《冰雪奇缘》的小朋友都知道艾莎公主拥有一种神奇的魔力，只要她摘下手套，手指一点就能把一大片地方瞬间冻成冰。

从物理学的角度看，艾莎公主相当于一台强大的制冷机，能够急速把周围空气中的水蒸气降温冷冻成冰。

制冷机的物理原理是怎样的呢？

我们不妨看看家里用的电冰箱，它可以把冷冻室内空气中的水蒸气冻成冰，因为冷冻室的温度可以低至零下 18 摄氏度。而电冰箱外的环境温度可能是零上 40 摄氏度。如果电冰箱断电不工作，冷冻室的温度就会跟电冰箱外的环境温度一样，你辛辛苦苦冻的冰棍只能 化掉。一旦电冰箱通电，电力驱动压缩机做功，压缩气态制冷剂，气 态制冷剂获得能量，其压强升高，温度也升高，进入冷凝器后释放热 量，就凝结为液体。

然后，液体进入毛细管，由于毛细管的阻碍，压强降低，进入蒸发器中。压缩机反过来扩张，使得蒸发器内压强进一步降低，加快了液体的蒸发。蒸发是一个吸热的过程，把冷冻室内的热量带走，导致冷冻室的温度降低。

压缩机不断循环工作，推动制冷剂在冷凝器、毛细管和蒸发器中循环运动，就能将冷冻室降到零下 18 摄氏度。

无氟冰箱和保护臭氧层

以前电冰箱常用到的制冷剂是氟利昂，它是有机物，容易汽化和液化。但是它能够分解出氯，跟大气层中的臭氧层发生化学反应，从 而破坏臭氧层。臭氧层能吸收太阳光中的大部分紫外线，从而保护地 球上的人类和动植物免遭紫外线的伤害。

前面我们讲过，太阳紫外线照射时间太长会对皮肤造成伤害。所 以，臭氧层对保护我们的身体健康至关重要，而氟利昂则是破坏臭氧 层的杀手。因此，人们做出了限制生产和使用氟利昂的决定，我国在2002 年停止生产氟利昂。现在，我国市场上出售的冰箱都是无氟冰箱，其中的制冷剂不再是氟利昂，而是四氟乙烷等。

从能量的角度看冰箱的制冷过程

如果我们从能量的角度分析冰箱的制冷过程，就会发现电能输入压缩机，使压缩机对制冷剂做功 W（通常用 W 表示功率），这是电能转化成机械能。然后制冷剂通过冷凝器向外界释放热量Q1（通常用 Q 表示热量，此处标记为 Q1），又经过蒸发器吸收热量 Q2。根据能量守恒定律或者热力学第一定律，Q1=Q2+W。

这个向外界释放的热量（Q1）会导致电冰箱的侧壁发热，小朋友去摸一下自家的电冰箱就知道了。所以，用了电冰箱，可能导致你家的温度升高。这个热量（Q1）是我们不需要的，小朋友可以想想怎么 利用这个能量，不要让它白白耗散到空气中。

制冷剂经过蒸发器吸收的热量（Q2）是我们所需要的，它可以降低冷冻室的温度，能够冻冰棍、长时间保存食品。我们希望它越大越好。

压缩机做的功是消耗电能得来的，需要我们花钱付电费，这个功当然越小越好。实际上，人们定义了一个制冷系数 Q2/W 来表示电冰箱制冷的性能，接近我们常说的性价比。

我们发现，Q1 和 Q2，一个释放能量，一个吸收能量，如果它们相等，不就没有 W 什么事了吗？电冰箱就不用耗电了。这好像也不违反能量守恒定律和热力学第一定律。但是事实上并没有这样的冰箱 出现，这是为什么呢？因为热学里除了热力学第一定律，还有热力学 第二定律：热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，而不能自发 地从低温物体转移到高温物体。

所以，在现实生活中，你会看到热水和冷水混在一起，热水温度 降低，冷水温度升高，最终两者温度相同。而不会看到，热水温度变 得更高，冷水温度变得更低。要实现后一种情形，必须对它们做功。也就是说，冰箱如果不通过输入电能做功，是不可能使冷冻室的温度 降低而外界的温度升高的。

如果艾莎公主洒出四氟乙烷或者干冰，哪个结冰会更快？

回过头来说艾莎公主的魔力，假如她纤手一挥，洒出四氟乙烷， 然后运用内力压缩四氟乙烷做功。四氟乙烷压强增大，温度升高，向 外放热，然后艾莎公主纤手一收，运用内力抽吸四氟乙烷，压强降 低，迅速蒸发，吸走大量热量，于是周围结冰。这样似乎可以解释 得通。但是这种操作要求艾莎公主像一个武林高手一样有着深厚的 内力。

另外一种对内力没有要求的办法就是使用干冰（固态的二氧化碳）来实现。由于干冰的凝固点（零下 78.5 摄氏度）很低，它在常温的空气中迅速升华成气态，这个过程会大量吸热，使得环境温度降低，有可能降到冰点以下。

所以艾莎公主只要纤手一挥，洒出干冰，就可能把周围冻上。这个过程相当于高温物体（空气）向低温物体（干冰）释放热量，可以自发进行，不需要艾莎公主额外运用内力做功，可以说这是一项门槛 极低的冰冻魔法。

唯一要注意的是，携带干冰时防止冻伤。

还有一件事，艾莎公主的魔法冰冻速度极快，几乎是眨眼之间。这个过程中能量转移是一定的，时间越短，表明单位时间内能量的转 移越高，也就是功率越高，因为功率 = 功 ÷ 时间。

我们知道“冰冻三尺，非一日之寒”，看起来，艾莎公主要瞬间把眼前世界冰冻起来，功率要求太高，恐怕不现实。

当然，《冰雪奇缘》本来就是超现实的童话故事。

划 重 点

1.制冷机的原理。制冷机是通过对制冷剂做功，使制 冷剂向外界放出热量，然后制冷剂减压蒸发，吸收热量， 使得温度降低，达到制冷效果。

2.能量守恒定律、热力学第一定律和热力学第二定律。能量守恒定律和热力学第一定律说的是能量既不能凭空创造，也不能凭空消失，而只会发生转移。热力学第二定律说的是能量转移是有方向的，只能自发由高温物体转移到低温物体，而不能反过来。要想反过来，就必须对低温物体做功。这也是制冷机为什么必须先输入功的原因。

3.功率。功率是单位时间内做的功，制冷机制冷需要一定的时间，像艾莎公主那样的冰冻魔力大概只能存在于童话里。

本文节选自《给孩子的物理启蒙课》（祝磊 著，中国妇女出版社，2022）

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