早期的冰箱竟然会致人中毒?爱因斯坦为此发明了一款不用插电的冰箱

作者: 朱广思

来源: 数字北京科学中心

发布日期: 2020-08-20 10:32:52

爱因斯坦不仅是一位伟大的物理学家,还发明了一种不用插电的冰箱,旨在解决早期冰箱因制冷剂泄漏导致的中毒问题。他与列奥·西拉德合作设计了吸收式冰箱、扩散式冰箱和电磁式冰箱,尽管这些发明因成本和市场原因未能广泛应用,但在现代科技和环保需求中重新获得了关注。

大家都知道爱因斯坦是一名伟大的物理学家,他突破性地提出了“光子”的概念,解释光电效应并获得1921年的诺贝尔物理学奖。此外,爱因斯坦还解释了布朗运动的本质、提出了新的固体比热容理论、创立了狭义相对论与广义相对论。1905年,爱因斯坦提出光量子假说、完整的狭义相对性原理,因此这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”。因为爱因斯坦等人的孜孜不倦,20世纪的物理学得到飞速发展。

然而,鲜有人知道,这样伟大的物理学家还发明过一种不用插电的冰箱!

故事发生在1926年的柏林,爱因斯坦在报纸上看到因冰箱冷凝管破裂,制冷剂二氧化硫、氯甲烷等气体泄漏,致使一家人中毒身亡的事件。爱因斯坦开始思考是否可以制作一种无毒冰箱,于是他去找列奥·西拉德商讨寻找可行的方法。列奥·西拉德是美籍匈牙利核物理学家,他构想并讨论了维持核裂变中链式反应的原理,提出了临界质量的概念,曾参与曼哈顿计划,与恩利克·费米等人在芝加哥大学建立了人类第一台核反应堆“芝加哥一号堆”。

爱因斯坦和西拉德会面后,仔细讨论了当时冰箱的工作原理:这类冰箱都是通过制冷剂蒸汽在冷凝器中液化放热后,导入与冰室交换热量的蒸发器中,蒸发吸收热量重新变为蒸汽,如此循环工作实现制冷。制冷剂的沸点与压强有关,压强越高,沸点越高;压强越低,沸点越低。只有控制好冷凝器与蒸发器中的压强,才能让制冷剂在指定的温度下液化或蒸发,达到循环放热、吸热的目的。

爱因斯坦和西拉德认为,这会导致密封部件的损耗和老化,最终使有毒的制冷剂——二氧化硫、氯甲烷等气体泄漏,毒害了报纸中提到的一家人。于是,爱因斯坦和西拉德打算设计一款吸收式冰箱,不需要运动部件的冰箱,没有了部件之间机械运动带来的损耗,制冷剂自然可以牢牢地被密封在内部。不同于普通的冰箱,这款冰箱不需要通电,仅通过液体和气体间气压的改变来降低温度,从而达到制冷的目的。

他们在生成蒸汽的步骤处进行改变:通过加热低沸点氨水的方式来替换机械运转,提供高温高压的压缩机来产生制冷剂蒸汽。此外,爱因斯坦和西拉德不再使用具有毒性的氯甲烷和二氧化硫,而尝试用氨水、丁烷和水,将氨气通入装有丁烷的长颈瓶,吸收氨气的丁烷沸点会降低到室温以下发生沸腾,丁烷沸腾的过程会吸收大量热量,达到制冷的效果。

不过,这个设计成本过高,考虑到商业化生产的成本和收益,并没有投入大规模、工业化的生产。爱因斯坦也认为这个吸收式冰箱结构过于复杂,还需要寻找结构更简单的制冷机。于是他们又提出了一套新的方案:扩散式冰箱。扩散式冰箱的原理和装置都更加简单,它以甲醇作为制冷剂,利用自来水自身的水压让高速水流喷射到甲醇附近,在甲醇液面上方形成一个低压区,促进甲醇蒸发,实现制冷。

虽然爱因斯坦及西拉德研制了三款环境友好、创意新颖的冰箱,但却都没有成功走入市场。这是因为当时一种新型的无毒制冷剂面世了,没错,它就是大家熟悉的氟利昂。由于不用担心有毒物质泄漏,人们依然可以采用传统的压缩机结构,爱因斯坦和西拉德发明的新型冰箱自然就没了市场。随着时间流逝,人们渐渐认识到氟利昂破坏臭氧层的弊端,开发了一代代新型的制冷制,并将氟利昂禁用。

同时,压缩机的结构也被优化,冰箱逐渐成为我们今天见到的样子。不过,爱因斯坦和西拉德研制的冰箱真的就此消失了吗?并没有!随着全球气候变迁及能源紧张问题愈加严重,爱因斯坦和西拉德研制的冰箱重新获得研究者们的关注。牛津大学的马尔科姆·麦克洛克工程师以爱因斯坦冰箱为基础展开了研究,致力于开发出代替现有产品的新一代无需用电的冰箱,并于2008年宣布成功复原了拥有1930年专利认证的爱因斯坦冰箱。

其可采用太阳能来提供能源,还便于携带。他表示有望在此基础上改进技术、重选制冷剂、添加配置等,让它优化成为制冷效率高且对环境友好的冰箱。此外,以爱因斯坦电磁式冰箱为原型的电磁泵也依旧在各大核电站中日日夜夜地工作着。

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