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炎热的夏季，空调是一种常用的温度调节设备。在气温高、湿度大的天气里，我们会觉得又闷又热，很不舒服。空调不但能降低室内温度，还能降低湿度，让人觉得既凉快又干爽。
空调为什么能让屋里变得凉快？很多人马上会联想到同样用来制冷的电冰箱。确实，家庭常用的分体式空调（分为室内机和室外机）或窗式空调，和冰箱的制冷原理是一样的。下面，我们就以市场上最常见的分体式空调为例，来看看它是如何制冷的。
利用液体的汽化来制冷
有很多办法可以让温度降低，其中之一就是利用液体的汽化。一种物质从液态转变为气态，需要吸收热量。天气炎热或是剧烈运动后满头大汗时，如果有风吹过，我们就会感到一阵凉爽，这就是因为空气的流动加快了身上汗水的蒸发，从身体表面带走了更多的热量。另一方面，当气体液化变为液体时，则会放出热量。另外，气体的膨胀要吸收热量而压缩又放出热量。一般家用空调和冰箱其实就是利用上述原理来制冷的。空调具体是怎样将室内的热量带走的，让我们一起来看看空调的结构就明白了。
一般来说，热量会自发地从温度较高的地方跑到温度较低的地方，而空调却可以把低温环境中（室内）的热量“搬运”到高温环境中（室外），让房间里的温度降低。当然，要完成这种与自发过程相反的过程，需要消耗能量，对于家用空调来说就是消耗电能。空调是通过一个巧妙的循环过程来完成这项工作的，在这个循环不断的系统中，通过自身状态（相态）的变化来搬运热量的关键物质就是制冷剂。在空调的管路中，没有空气，只有制冷剂这一种物质在里面循环。这个循环管路中主要包括了压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等几部分，如上图所示。蓝色的管路是位于室内的制冷部分，管路内部压力较低；红色的管路则是位于室外的散热部分，由于压缩机的作用，管路内部压力较高。管路边上的箭头表示了制冷剂移动的方向。通过液态制冷剂的汽化吸收热量在室内的蒸发器部分，由于压缩机不断地把管路中的制冷剂抽走，而膨胀阀（其实就是一段很细的管路。因为管径变细导致流量下降，所以又称节流阀）又限制了制冷剂流入的速度，所以压力较低。这样，通过膨胀阀进来的制冷剂就会迅速从液态变为气态并膨胀，吸收热量。空调室内机的风扇将室内的空气吹过蒸发器，使空气的热量通过蒸发器传递给里面的制冷剂，这样空气就不断变凉，室温下降。所以，空调吹出的凉风并不是从室外进来的。通过快速压缩使制冷剂气体的压力和温度上升我们在用打气筒给自行车轮胎打气时，如果注意一下就会发现，连续快速打气一段时间后，打气筒会明显发热、变烫，这是为什么？原来，当气体受到快速压缩时，温度是要升高的。空调也利用了这个原理。从蒸发器（室内机）吸收了热量的制冷剂气体经过压缩机的压缩，压力和温度都会进一步上升，然后来到了冷凝器（室外机）部分。在这里，需要靠室外的空气带走热量，使制冷剂冷凝。夏季室外的气温本来就比较高，而热量只能从温度高的地方传递到温度低的地方，所以就需要通过压缩机的压缩，使制冷剂气体的温度上升到超过室外空气的温度。通过高压气态制冷剂的冷凝放出热量当温度较高的气态制冷剂经过冷凝器管路时，就会放出热量，并同时凝结为液态。室外机的风扇将室外空气吹过冷凝器，将放出的热量带走。所以，如果站在空调的室外机附近，就会发现它吹出来的是热风。冷凝器是用很长的管路盘旋而成，外面还要加上散热片，以达到比较好的散热效果。到这一步，制冷剂就完成了将室内的热量搬运到室外的任务。但是这还不够，为了能再进行下一轮搬运工作，它还需要经过膨胀阀。通过减压使高压液态制冷剂膨胀、汽化经过冷凝器变为液态的制冷剂被压过膨胀阀。膨胀阀入口一侧压力高，出口一侧压力低。液态的制冷剂通过膨胀阀后，压力突然下降，因此一部分制冷剂迅速汽化、膨胀，温度下降。制冷剂通过蒸发器时，会吸收热量并继续汽化，进入新一轮制冷工作。除湿和制热空调在制冷的同时，还能除湿。制冷时，室内蒸发器管路温度较低，会使从冷凝器管路外侧通过的空气中的水凝结出来，通过排水管排到室外，起到除湿机的作用。这样，室内空气的相对湿度就会下降，使人不会感觉闷热。不过，如果是在比较干燥的地区，或是空调开启时间太久的话，可能会造成室内过于干燥，相对湿度过低。这种情况下，要注意适当开窗通风、增加湿度。通常，相对湿度在40%～60%左右时，人们感觉比较舒适。在冬季，如果将上述制冷循环的过程反过来，那么空调就可以将室外的热量运送到室内，使室内的温度上升。空调通常是利用一个“四通阀”完成这个切换，让制冷剂逆向运行的。在室外温度较低的地区，有些空调室内机里面还装有辅助电加热装置，实际上就是通电后可以发热的电阻丝或PTC热敏电阻等。PTC的意思是“正温度系数”(PositiveTemperatureCoefficient），这种材料的电阻会随着温度的升高而迅速加大，这样当温度太高时，流过的电流会变得很小，起到自动保护的作用。制冷剂的环境影响什么样的物质适合作为制冷剂？首先，制冷剂的沸点要适合空调的工作温度，这样才能比较容易地在气态和液态之间转换。当然，还有很重要的一点，就是这种物质在汽化时吸收的热量要大，也就是汽化热比较高，这样制冷的效率才比较高。另外，性质要比较稳定，不容易与其他物质发生化学反应，不容易对管路造成腐蚀，最好还要无毒、不易燃。最初的空调使用的制冷剂，虽然可以很好地完成制冷的工作，但大多是有毒、易燃的物质，例如氨等，一旦泄露，就会造成危险。后来，人们用“氟利昂”(Freon）取代了这些危险物质。氟利昂是美国杜邦公司为一些不可燃且毒性较低的卤代烃类化合物注册的商标名称。卤代烃是一类用卤素（氟、氯、溴等）原子取代了饱和烷烃（如甲烷、乙烷等）中的氢原子的化合物，其中就包括了在20世纪曾作为制冷剂等广泛使用的氟氯烃类（CFCs），例如二氟二氯甲烷（CCl2F2，编号R12）。氟利昂制冷剂虽然稳定、安全，但随着研究的深入，人们发现它们对环境有一定的影响，这主要表现在两个方面。一方面，卤代烃中的氟氯烃类制冷剂会破坏保护我们免受紫外线伤害的大气臭氧层，另一方面，很多此类制冷剂像二氧化碳一样是温室气体。年，在加拿大蒙特利尔通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，年又在伦敦通过了《议定书》的修正案。我国也在年正式加入了这个修正案，开始逐步淘汰臭氧层消耗物质。作为过渡，我国现在的很多家用空调制冷剂采用二氟一氯甲烷（R22）取代二氟二氯甲烷（R12），前者消耗臭氧的能力约为后者的1/20。但因为R22中依然有氯，仍对臭氧层有消耗，所以将来也要被取代。近年来出现了一些新型制冷剂。例如RA（见上表)，这种物质含氟但不含氯，完全不会破坏臭氧层，是目前取代R22的最佳候选者之一。但是RA的温室气体效应仍然很大，是二氧化碳的倍。科学家们还在不断研发更新更环保的制冷剂。但要开发出既安全无毒，又对环境友好，还适合作为制冷剂的新产品，不是一件容易的事。经过人们三十多年的努力，目前全球大气臭氧含量基本保持稳定，并预计会开始恢复。但南极上空的臭氧空洞大概还会继续存在几十年。本文摘自《科学世界》杂志年第8期
作者
方晨
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