《回忆中的玛尼》夏天真是让人又爱又恨的季节，小编早早就准备好了空调、Wi-Fi、西瓜夏日消暑标配神器。酷暑难耐，想必很多人和我一样，半条命都是空调给的。不过大家有没有想过温度是如何降下来的？最简单的方式当然是扇风。虽然吹风不能使空气的温度降低，但是空气的流动会加速皮肤表面汗水的蒸发作用，从而将体表的热量带到空气中，达到散热降温的作用。电风扇便是利用了电机转动带动扇叶转动，扇叶与旋转面呈一定角度，旋转时以斜切的方式挤压受力面的空气，从而产生气流。扇叶做成流线型可以避免不必要的摩擦损耗动能，同时可以减小噪音。扇叶旋转时上部空气受力“流走”而原来所在的位置会产生负压。而下部空气因为负压“流入”该区域，形成连续的空气流动。扇叶旋转时空气流动示意图无叶风扇近几年也好好地火了一把，其外表看起来高级炫酷，无叶设计不会覆盖尘土或者伤害到儿童的手指。可能不少朋友会好奇无叶风扇没有扇叶，风是从哪里来的？无叶风扇工作图无叶风扇最早于年由日本东京芝浦公司取得设计专利，在年由英国的詹姆斯·戴森（JamesDyson）制造及投入市场。但它并非真正无扇叶，实际上只是扇叶隐藏在底座里面。无叶风扇的底座设有离心式压缩机，以叶片旋转在底座四周吸入空气、增压，推送至风扇顶部的中空的管状环，管状环上一端有幼窄的缝，空气自此窄缝喷出，喷出的方向使被喷出的空气沿管状环的内壁前进，由于内壁的横切面成翼型，基于伯努利定律使得在空气喷出环的一边的内壁表面成形成低压，如此，形成环中心前方较后方低压，后方的空气因而被拉进往前，环内的大量空气因此被牵引喷出。詹姆斯·戴森的原设计中，底座中使用无刷电动机推动压缩机每秒吸入27L的空气，而环状出气装置却有每秒L的空气喷出，因此又称为“空气倍增器”。无叶风扇工作原理图当然吹风并不能真正实现温度降低，要想实现科学降温，就不得不利用热力学的知识。在现代技术中，一般有三类方法来实现低温：一类利用低温冷剂，一类通过气体动力学作功，还有一类则是利用某些物理化学现象，如热电效应、顺磁效应、隧穿效应等。隧穿效应

来源：新原理研究所温度是表征物体冷热程度的物理量，微观上来讲是分子热运动的剧烈程度，理想气体分子平均平动动能为：其中m是分子质量，是分子平方平均速率，k是玻尔兹曼常数，T是温度。这说明温度越高，分子运动越剧烈。物体间的温度差会引起热能传递现象。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就必然以以上三种方式中的一种或多种从高温到低温处传递。使用冰块作为低温冷剂降温的鸡尾酒低温冷剂便是利用低温物体与高温物体接触实现高温物体的降温，比如在可乐里加冰块，还有物理所传统技艺——液氮冰淇淋。聪明的古人早在周代就开始在冬天采集冰块放入冰窖储藏，等夏天再取出来消暑。到了现代社会，随着空气液化技术和杜瓦技术成熟，这种简单粗暴的制冷方式不但没有淘汰，反而应用于各种高大上的实验设备中，比如扫描隧道显微镜（STM）、磁学测量系统（MPMS）等。常压下液氮的液化温度为77K（-℃）、液氦液化温度为4.2K（-.95℃），可以为物理实验提供稳定的低温环境，尽可能排除热涨落的干扰，从而观察到一些奇妙的量子现象。要谈气体动力学制冷，就得直面大名鼎鼎的“卡诺循环”。年，法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺提出了卡诺循环(Carnotcycle)来分析热机的工作过程。卡诺循环卡诺循环是假设只有两个热源（一个高温热源温度T1和一个低温热源温度T2）的简单循环。由于工作物质只能与两个热源交换热量，所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，在理想气体的准静态过程中进行能量转化：等温膨胀过程I→II（在高温热源吸热Q1）；绝热膨胀过程II→III（ΔQ=0）；等温压缩过程III→IV（在低温热源放热Q2）；绝热压缩过程IV→I（ΔQ=0）。整个循环中气体对外所作的净功W应等于气体在循环中所吸收的净热量Q1-Q2。理想的卡诺循环效率为：这说明卡诺循环效率只与两个热源的温度有关，且在有限温度内不可能达到1，不过可以通过升高高温温度和降低低温温度来增大效率。斯特林发动机I

来源：看点快报年，英国伦敦的牧师罗巴特·斯特林（RobertStirling）发明了斯特林发动机（Stirlingengine），它理论上的效率几乎等于理论最大效率——卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。它是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀后的气体又在冷气室里被冷却，反复地进行这样的循环过程。斯特林发动机II

来源：看点快报斯特林发动机III

来源：看点快报由于准静态过程可逆，如果令整个卡诺循环反向进行，依次经状态I→IV→III→II而回到状态I，就需要外界对系统作功，在低温热源T2吸热Q2，在高温热源T1放热Q1，这个逆循环正是理想制冷器的工作循环，其作用是把热量从低温物体送到高温物体。斯特林制冷器示意图，该系统由一个活塞在环境温度Ta,一个活塞在低温TL

来源：wiki斯特林循环的四种状态

来源：wiki斯特林制冷器正是利用逆卡诺循环来实现降温的，它由冷热活塞、冷量换热器、冷却器、回热器和两个气缸组成。冷却循环分为4个步骤；等温压缩过程a→b：冷活塞固定，热活塞右移，以环境温度Ta放热Qa；定容放热过程b→c：两个活塞同时向右移动，气体的体积保持不变，当热气体通过回热器时，将热量传给填料，因而温度由Ta降低到TL；等温膨胀过程c→d：热活塞固定，冷活塞右移，温度为TL的气体进行等温膨胀，从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量QL（制冷量）；定容吸热过程d→a：两个活塞同时向左移动直至左止点,气体体积保持不变，回复到起始位置。当温度为TL的气体流经时从回热器填料吸热，温度升高到Ta。外界对制冷器作功：效率为：发现其理想效率也只与两个温度有关。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点。两空间制冷机温度可达80K。三空间制冷机温度可达10.5-20K。四空间制冷机温度可达7.8K。冷头最底温度达到6K到3.1K的斯特林制冷器也已研制成功。除此之外，还有Gifford-Mcmahon(GM)制冷器、脉冲管制冷器、节流制冷器等等。说完理想的卡诺循环热机和制冷器后，再来谈谈它在空调上的应用。年后期，首个现代化、电力推动的空气调节系统由威利斯·开利发明。空调的核心原理也是逆卡诺循环，再加上冷媒（如二氟一氯甲烷）的状态改变进行热量的转化来对有限空间进行降温。如图所示，压缩机1将低温常压气态的冷媒压缩成高温高压气态，然后输送到室外机的冷凝管3处散热后成为常温高压液态，因此室外机风扇2吹出来的是热风。然后流入细管4再进入室内机的蒸发器旋管5，此处空间增大，压力减小，液体汽化吸收大量的热量，冷媒变成低温常压气态，室内机的风扇6将空气吹过蒸发器从而产生冷风，气体再经过压缩机1，又是一个新的制冷循环。空调工作原理示意图

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