我們在天氣下或生或死，或富或窮，或幸福或苦難，過程着我們的命運。

　　——賈平凹《天氣》

　　一位著名詩人曾經說過，春天到了，夏天還會遠嗎？這幾天北京天氣好（re）到爆炸，讓小編時不時就想吃塊冰淇淋降降溫。

　　（吃塊西瓜也行啊 | 圖片來源：羅小黑戰記）

　　那，我們今天就來聊聊“製冷”那些事兒~

　　冷從何來-“卡諾循環”是也

　　卡諾循環是1824年由法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾提出的熱力學思想實驗，描述的是兩個簡單熱源（一個高溫熱源和一個低溫熱源）之間的能量交換，即交換過程僅由兩個可逆的等溫過程和兩個可逆的絕熱過程所組成的理想循環系統。

　　（卡諾循環包括四個步驟：理想氣體從狀態1等溫膨脹到狀態2，再從狀態2絕熱膨脹到狀態3，此後從狀態3等溫壓縮到狀態4，最後從狀態4絕熱壓縮回到狀態1）

　　卡諾循環可以被看成是一個理想熱機循環，而與卡諾循環路徑相同但方向相反（即代表上圖中箭頭方向相反）的循環，我們則稱之爲逆卡諾循環。逆卡諾循環以耗功爲代價，通過工質的循環從低溫熱源中吸收熱量，並向高溫熱源排放熱量，是一種熱力學效率最高的理想製冷循環。

　　（製冷系統能量轉換圖簡化版）

　　假設單位質量的製冷劑向高溫熱源放出的熱量爲q1，從低溫熱源吸收的熱量爲q2，循環過程中消耗的淨功爲ω，那麼我們就可以算出這個製冷系統的製冷係數ε：

　　（逆卡諾循環的製冷係數只取決於高溫熱源的溫度T1和低溫熱源的溫度T2，與製冷工質等性質無關）

　　但現實生活中可達不到以上所述的理想狀態，所以人們將實際製冷循環的製冷係數ε’與理想的逆卡諾循環制冷係數ε做出比值，並稱之爲不可逆循環的熱力完善度η，即

　　（熱力完善度的值越接近1，實際製冷循環就越接近理想的逆卡諾循環，即不可逆損失越小，製冷循環的經濟性就越好）

　　目前幾乎所有的製冷技術都是基於熱力學原理而發展起來的。並且隨着製冷需求的增加，製冷的方式也越來越多樣，若細細道來，可要說上它個三天三夜了……

　　（知識點有點多誒……）

　　皇家般的享受-自然冷源

　　在科技遠不及今日發達的古代，炎炎夏日，如何安眠？能工巧匠們便想到了用“冰窖”將冬天的冰塊儲藏至夏天的法子，冰塊，即謂之自然冷源。早期冰窖只供皇家享用，而後隨朝代發展而漸成規模。至清代，冰窖可分爲三種：官冰窖專供皇家使用，府第窖供王爺們使用，商民冰窖則爲尋常百姓提供了夏天吃冰的樂趣。

　　（沒有本宮最愛的蟹粉酥，有冰也是好的~）

　　你們還記得大明湖畔的夏雨荷嗎？那可是我國古代製冰業發展較早的地方。每年冬天，待大明湖水完全凍結，附近的村民們就會到大明湖去切取冰塊，整齊的擺放在事先挖好的冰窖裏，上下鋪好草氈，蓋上厚厚的黃土並封好入口，就可以靜待夏天痛快吃冰啦~

　　走近新時代-人工製冷

　　到現在，天然冷源可遠遠不夠了，不過好在我們可以自己動手豐衣足食。

　　目前最爲常用的製冷方式是液體汽化製冷，如蒸汽壓縮式製冷、蒸汽吸收式製冷、蒸汽噴射式製冷、吸附式製冷等，這些方法都是利用液體氣化時要吸收熱量這一特點來實現製冷的。除此之外，還可以利用氣體的節流效應和絕熱膨脹製冷，還有熱電製冷、磁製冷、渦流管制冷、熱聲製冷等。這裏僅簡要介紹其中的三種。

　　（不用等下回，請聽小編這回分解）

　　1.半導體制冷

　　半導體制冷又稱熱電製冷、溫差電製冷，是利用熱電效應(即帕爾帖效應)的一種製冷方法，即在兩種不同半導體組成的閉合線路中通以直流電流，就會使一接點發熱而另一接點變冷的現象。

　　（空穴在P型半導體中的勢能高於其在金屬片中的勢能，外電場作用下，當空穴從金屬I流入P型電偶臂時需要吸收能量，即在結點a處產生吸熱效應；同理，N型半導體處的結點d也可以觀察到吸熱效應 | 圖片來源：百度文庫）

　　在日常使用中，由於一對NP熱電偶產生的製冷量很小，所以常用串聯、並聯及串並聯的方法組成多級熱電堆，從而達到想要的製冷效果。

　　2.磁製冷

　　磁製冷技術利用的是磁熱效應，又稱磁卡效應（Magneto-CaloricEffect，MCE）。固體磁性物質，在受磁場作用磁化時，系統的磁有序度加強（即磁熵減小），放出熱量；反之，去磁時則磁熵增大，需要從外界吸收熱量，就可以達到製冷的目的。

　　（磁製冷原理 | 圖片來源：百度文庫）

　　而一般的磁製冷就是在順磁體絕熱去磁過程中獲得冷效應的，比如在16K以下的極低溫區，可以採用稀土順磁鹽材料來實現製冷；而在20K以上的低溫區則可利用金屬Gd材料實現高溫磁製冷。布朗就曾經用7T的磁場和Gd金屬材料，按照埃裏克森循環成功的從室溫製取到了-30℃的低溫。

　　3.激光製冷

　　我們都知道，物體中的原子總是在做無規則的熱運動，並且原子的運動越劇烈，物體的溫度越高，反之則溫度越低。所以，當激光射出的大量光子進入物體內部時，由於激光粒子的數量相當多，物體內微粒變得擁擠，再加上光子在撞向原子後彈開會帶走一部分能量，削弱了原子本身動能，使原子再也不能像之前一樣做無規則的熱運動，在外觀表現上，也就是降低了物體的溫度。

　　（激光製冷原理示意圖 | 圖片來源：百度百科）

　　物體中原子的運動速度約10m/s，朱棣文曾採用三束相互垂直的激光，從各個方面對原子進行照射，使原子陷於光子海洋中，運動不斷受到阻礙而減速。激光的這種作用被形象地稱爲“光學粘膠”。在試驗中，被“粘”住的原子可以降到幾乎接近絕對零度（-273.15℃）的低溫。

　　（諾貝爾物理學獎級別的成果，果真不得了）

　　在應用上，激光製冷可以消除一級與二級多普勒頻移，建立更好的頻率基準。所以激光製冷技術在凝聚態物理、原子噴泉、原子鐘以及生物學方面的細胞、線粒體和染色體等方面都有重要的研究和應用意義。

　　注：本文未特別標註來源的圖片均來自網絡，如侵刪

　　來源：中國科學院半導體所

　　編輯：AI