冷凍科學

By David Ren 任大偉

製冷需求

人類一直想以低溫保存糧食，而人工製冷技術出現至今卻只有短短兩個多世紀。在室溫下儲存的糧食很快就不適合人類食用，所以必須要有更好的保鮮技術。人工製冷可以追溯至19世紀，人們從寒冷地區的河流湖泊鑿下冰塊，收集起來再運送到炎熱的地方。保存食物的冰庫在這段時間才開始普及。後來人工採冰被更好的方法取代，就是我們今天所熟悉的機械製冷。

冰箱製冷

多數雪櫃都是採用蒸氣壓縮循環製冷，由壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥和蒸發器等部件組成。這類封閉式系統首先是由雅各•帕金斯於1834年發明。利用氣體的壓力和溫度關係，將熱能從雪櫃內部排放到周圍的環境中。按照理想氣體狀態方程式PV＝nRT，壓力和體積與溫度成正比。因此，降低壓力就可以讓溫度下降。

製冷劑從熱力膨脹閥排出時，溫度隨壓力可控地快速下降，這就是所謂的「絕熱閃蒸」，不須特意操作。通過壓力較低的蒸發器時，製冷劑在低於沸點的溫度氣化，同時從周圍環境(即是雪櫃的內部) 抽取能量。這蒸發過程帶走熱量，道理就很人體藉揮發汗液降溫一樣。要達到最高效率，製冷劑最好能在沸騰前吸收儘量多的能量，減少沸騰對機器的破壞。這種狀態稱為「飽和蒸氣」。氣化了的製冷劑會被壓縮，壓力和溫度提升，之後流經雪櫃背部的蛇形金屬管，即是冷凝器，排出過量的熱能。高壓高溫的製冷劑液體通過熱力膨脹閥，再次開始循環。要注意的是在氣體膨脹過程中，閥門必須完全與環境隔離，才能做到絕熱膨脹。隨後的冷卻現象稱為「焦耳-湯姆遜效應」，僅適用於真實氣體。

空氣液化

空氣液化的過程與家用雪櫃的操作相類，起初是爲了啤酒泡沫而構思製作液態二氧化碳，最後發展成工業規模，成果之一是用「漢普森•林德」循環器生產液態氮和氧。方法和家居製冷的區別只在於一個關鍵的步驟：將冷卻到最低溫度的氣體作為冷凝器（冰箱背面的金屬管）的製冷劑，周而復始，讓新的空氣可以冷卻到更低的溫度。

製冷技術已帶來無處不在的影響。例如按照實際需要調節製冷量，就可以延長食品的保存和食用期限，運送到遙遠的目的地。