第五十二节 古代空调，未来性能（1/2）

五六月的长安马上就要热起来了。历史上，李世民不堪炎热，多次外出行宫避暑。其中最近的是长安南钟南山的翠微宫，然后就是西北一百六十里的九成宫，以及正北方药王山上的玉华宫。

李世民晚年为了能在行宫避暑办公，特地让人在玉华宫大兴土木，修建全套朝廷办公用的配套的屋舍，虽然他下令“务从节俭，除了正殿都用茅草盖顶”。但别的费用可剩不下来，谁敢盖一个会塌的房子给这帮高级官员住呢？

所以，建造一个空调系统就是李治讨好李世民的一个重要任务。说道空调，人们心里想到的是……耗电大户。制冷剂泄漏，温室效应，压缩机……等等等等。

其实使用压缩机蒸发器制冷的空调系统，工程上有两个优点，第一，是节省空间。用很少的制冷剂，一个小的压缩机和最占空间的冷凝器就可以完成比较大空间的制冷。第二就是热效率还凑合。因为它是热泵的原理，利用压力的强行的气－液相变，使制冷剂装载的热量大于维持它相变转换所需要的热量。但这个不是说，它制造的能量大于它消耗的能量，只是说它在一定限度内搬运的热量大于它消耗的能量。但这个热量重新扩散能够带来的能量则肯定不会大于它消耗的能量。因为物体的内能除了可以做功的部分（物理学称为焓），还有不能转化为能量的部分（称为熵）。这些搬运的热量，用一个计算可以说明：

空调运行前，假设墙壁完全绝热，室内外空气都是27度（约等于300k绝对温度）。空调运行消耗了1度电，算成能量是一千瓦时=3600千焦耳。现代市场上的空调出于节能考虑，能效比小于3的都是不允许销售的。用3计算，那就是制冷量1080mj.

这个是什么概念呢，空气密度是1.2kg/m3，它的比热容是1005j/(kg*k).

如果这个房间30平（相当大的一房间了）空气量大概是84个立方。那么这1080mj可以让这个房间的空气下降几度呢？（有人自己算吗？）

答案是10.66度。所以现在的房屋内气温是15.3度，约合288k，它的压力也改变了，也可以用热力学公式来计算。那么，现在它的内能损失了1080mj，不考虑气体热量的传导损失，外界会把它的体积压缩，这个过程中做的功就是转移的这么多热量可以重新转换为机械能的能量。如果这个能量大于消耗的能量（1度电），那么我们就可以从中制作一个永动机。

可能吗？经过计算，这个重新转换出的机械能是多少呢……是237kj，仅仅是1080mj的……零头都不到啊！和用掉的能量比仅仅只是6.58%！可见，内能，制冷量和机械能虽然都是能量，但真的是两种概念啊！

首先利用理想气体状态方程pv=nrt计算出降温后p=0.96p0，然后用pv^1.4=常数计算出绝热压缩过程p=1时v的改变值，最后用t*v^0.4=常数计算出温度的改变值。最后这个机械能等于气体内能的改变量nr（t－288）/0.4（因为没有热交换）。虽然这里没有给出nr的值，但这个计算是可以完成的。

此外，它的效能极大的受制冷剂的制约：比如说臭名昭著的氟利昂。在现代的冰箱和空调中，氟利昂和氟利昂的代用品有一个很重要的特点，就是它气化的时候能够吸收大量的热。同样，它的气体被压缩为液体的时候也能够放出大量的热。而且它的这个气相液相变曲线的温度正好在冰箱和空调的工作温度的两侧。

水之所以无法用作这样的制冷剂，就是因为它快速气化的温度很高（100度），理论上来说，在气温400度的金星上，它就可以做极其优良的空调制冷剂。

在地球上，制冷的温度如果低于了水的沸点，效率就会很低直至无法工作。但其实，空调扇也是通过水气化吸热的原理工作的，因此这也是一个简易空调。水是作为一种无法代替的制冷剂存在——它不要钱，而且容易获得。

低温工程中，使用的能够把温度降到4开尔文一下的制冷原理，不是蒸发制冷原理，而是气体膨胀吸热的原理。

可是，这个拿到空调上用，真的合适吗？

合适啊！因为这个简单的空调，不需要冷却剂也不需要蒸发皿。而且皇室用品，完全不用考虑安装空间的大小，也不用考虑工业生产成本方面的问题。

因为它的工作介质就是空气本身，这也是一种不用考虑补给和维护的。

让我们继续刚才的继续，如果我们把空气等温压缩到5个大气压，然后通过一个喷嘴进行放气，就像给轮胎放气一样。你的经验告诉你，那样确实会降低温度，而不仅仅是被吹风吹出来的心理作用。

这个过程是等效刚才的计算中的绝热膨胀（压缩）过程的。因为空气在快速膨胀过程中，热量来不及交换。也正因为它是“绝热的”，所以才会产生降温，不是吗？