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看到这些现象我的内心是拒绝的,但我选择相信科学

starmanseries / CC BY

有哪些反直觉的物理现象?

没有姓也没有名,玩水/烧水/敲玻璃杯

工程设计小科普

圆管的绝热层(insulation)并不是越厚越好。

在包裹绝热层材料的时候,要避开一个 critical point,

因为:虽然绝热层越厚,热传导的热阻越大,但是绝热层也会跟环境的接触面积变大,导致绝热材料与环境直接的换热量增大。由于热传导量随着厚度递减,但是热对流量随着厚度增加,整个传热系数随着直径先增大再减小。如下图所示,

(figure credits to https://www.quora.com/What-is-the-motive-of-critical-radius-of-insulation-for-cylinder)

假设绝热层的导热系数为 k(假设 fiberglass, 0.05w/mK 左右),材料与环境(一般是与空气的自然对流,2 w/m2K 左右),由以下公式

也就是说,在这个情况下的整个圆管加绝热层的直径要超过 5cm 才行

接下来我想讲一讲循环,先从饱和曲线开始讲。

潜热比显热要大得多得多得多

对于没有看过饱和曲线的人来说,也许他 / 她并没有意识到潜热有多大。

水在标准环境下的热容为 4.18 kJ/kgK(显热,sensible heat),也就是说,让一千克的水提升 1 摄氏度的时候,需要 4.18kJ 的能量。

而水在大气压下蒸发需要的能量为 2258kJ/kgK,也就是说,让一千克的水从 100 摄氏度的液体变成 100 摄氏度的汽需要 2258kJ 的热量。这个潜热是显热的 540 倍大。

夏天的时候,把水泼在地上会变得凉爽正是这个道理,因为水蒸发会吸收大量的能量。

下图就是饱和曲线图。淡蓝色表示液体,淡紫色是汽体(气体),而黄色的就是两相区,这个时候液相和气相同时存在。在黄色区域从左到右画一条直线,就是蒸发的过程。

我们看到在水的温度越来越高的时候,会经过 critical point,这时候发生了:水在临界点发生了什么? - 没有姓也没有名的回答

(figure credit Pages - Saturated Water Line

热泵(空调)比电加热更节能。

最高效率的循环是完全发生在两相区的循环

对于没有学过热力学的人来说,他 / 她不会意识到有卡诺循环的存在。

小时候科学课的时候,老师就跟我们说了,永动机是不存在的。

对于第一类永动机很好解释,能量不会自己生产或消灭,只能被搬运。但是很少人意识到第二类永动机为什么也不会存在。

原因就是,所有涉及到能量过程的机器,都是循环,而循环的理论最高效率是卡诺循环。

卡诺循环 - 建环视界

如图中所示的循环,在一个冷凝和蒸发温度分别为 Tc 和 Te 的卡诺循环中,其效率已经被固定死了。

COPh 表示热泵效率,COPr 表示制冷效率。这里的 COP 是 coefficient of performance,它表述了 1 个单位的能量输入能转移多少能量。

通过手段,我们可以很容易的让 COP 大于 1,也就是说,热泵的效率是比电阻加热更有效节能的。

我用了很长时间说服我爸妈,冬天的晚上开空调(坐标深圳),不要去买所谓的油汀(我们那儿卖油汀的 sales 说油汀一定比空调节能)。因为在机械工程师眼里,这是一个又贵又没有理由卖那么贵的产品。

(评论中提到了在北方热泵的使用会存在种种问题。我承认如果冷测温度过低确实系统会存在种种运行的问题,但是,北方不是集中供暖么?我这边对于冷暖空调的建议更多是针对南方没有集中供暖,室外温度一般刚过或者没过 0 摄氏度的地方。)

空调不生产冷 / 热,它们只是热量的搬运工

顺着上面的循环来看,一般来说家里的冰箱 / 空调就是类似这样的一个系统,只是它永远达不到卡诺的效率罢了。

也就是说,能量由蒸发器中的冷媒所吸收(想想水蒸发会带走多少热量),再经过循环从冷凝器中释放出去。由于对于冷媒来说(比如国内现在常用的 R134a),压力越高饱和温度也就越高。如果系统压力只有 400kPa(4 个大气压),对应的 R134a 大概 9 度左右,这个温度比室温低,室内的能量会被 R134a 所吸收;再通过压缩机将压力升高到 1200kPa,对应的 R134a 的饱和温度会升高到 46 摄氏度,这个时候它比屋外头温度高,能量从 R134a 释放到环境中。最后经过膨胀再回到 400kPa 的压力,就形成了一个循环。在循环中,唯一做功的是压缩机。

如果把蒸发器放在屋内,冷凝器放在屋外,这就是一台夏天的制冷空调。如果反过来放,就是一台冬天取暖的热泵了。

当然,在这里的命名也是非常让人迷惑的。一般来说,蒸发器的工况比室温低,冷凝器的工况比室温高。也就是说在一个系统中,冷凝器虽然有个“冷”字,却是系统中温度最高的地方。蒸发器虽然名字中有“蒸发”,却是系统中温度最低的地方。

接下来是最反直觉的地方(需要一定热力学基础)。

循环并不是越接近卡诺循环效率越高。

在设计系统的时候,工程师会被要求要尽可能在低成本的情况下接近卡诺循环,从而达到最高效率。一般来说,就是保证蒸发器和冷凝器中相变产生,或者是压缩 / 膨胀的过程尽可能等熵。

我们就来说说相变吧。不论蒸发还是冷凝,都需要温度差才会产生传热。这个时候,站在系统的角度考虑,蒸发器和冷凝器的设计就很不好说了。

有时候工程师会发现,冷媒温度梯度(temperature glides)会使系统效率更高。这个时候不要去怀疑自己的计算,而是考虑是不是因为这个时候换热器的效率更高了。

冷媒中有一个系列的混合冷媒都是非共沸的,它们之所以没有因为不符合卡诺循环而被淘汰,就是因为(在合适的设计下)换热器效率的增加使得系统效率并没有受到影响,甚至提高了。

制冷剂(冷媒)小科普

制冷剂不是氟利昂

我们知道,氟利昂被排放到空气中会破坏臭氧层。

但是,氟利昂早在 20 多年前就被淘汰了。不要再叫制冷剂叫做氟利昂了。

现在的制冷剂几乎都不是氟利昂!

使用大杀器级别的氟利昂(R12 等)是违法的!你买都买不到!

氟利昂是制冷剂中的一个品牌名字,并不是制冷剂的指代。所以氟利昂只是制冷剂的一个子集。

我相信正确的制冷剂的别名有:冷媒,工质,雪种,等。

现在的制冷剂,已经几乎不会对臭氧层造成影响。如今环境科学家更担心的是制冷剂对温室效应的影响。

(下面评论指出,R22(确实是一种氟利昂)还正在被广泛用于制冷系统中,而 R22 的 ODP 是 0.05,已经非常小了,而且据我考证在欧盟已经全线禁止新系统上 22 了,美国现在处于消除 75% 的 R22 的阶段,中国相关信息不详还望提供)

真实事件:我认识一个老奶奶,有一次她家的空调冷媒漏光了,于是她打电话找了工程师来修。当时我在她家玩,她知道我是学机械的,叫上我一起去看工程师修空调。

工程师明确表示:I will just charge some Freon...

当时我的反应是:

然后那个人给她 charge 了大概不到半罐 R134a,收了 200 刀。

一周后,老奶奶表示空调又用不鸟了,那个工人过来,检漏,补漏,加充制冷剂,又是 500 刀。

当时我的反应是:

下周我再问问老奶奶空调修好了没~

总之,如果以后修空调的工人,还把冷媒叫做氟利昂的话,让他滚。他神马都不懂!

常见的制冷剂中,温室效应最小的冷媒却是二氧化碳

大家用 GWP(Global Warming Potential)来表示某个制冷剂的温室效应的影响,比如用 GWP100 表示 100 年的温室效应影响。

GWP100 表达了在 100 年内,1kg 的这种冷媒会产生的温室效应影响相当于多少 kg 的二氧化碳。

比如说上面提到的 R134a,GWP100=1430,也就是说一千克的 R134a 在空气中 100 年会产生相当于 1430 千克的二氧化碳的温室效应。

而一千克的二氧化碳排放到空气中就是一千克的二氧化碳。

所以现在二氧化碳等自然界制冷剂反而成为了非常受瞩目的冷媒。而广泛使用的 R134a 等制冷剂,因为各国开始制定相应法律限制新系统的冷媒的 GWP,已经在渐渐退出历史舞台了(就跟氟利昂一样)。

另外我个人蛮关心国内现在冷媒的使用情况 / 工业界对于未来的预测 / 政府的导向。希望有信息的朋友可以提供相关资料。