说出来你可别不信,爱因斯坦也发明过冰箱!

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-09-17

九十年前,无需动力、节能环保的冰箱就已出现,它的设计者竟是两位物理大咖!

秋意渐浓,回头看着整个夏日不停运转的冰箱、空调,再摸一摸荷包,是不是又陡然生发“荷包渐薄终须悔,为伊消得人憔悴”的感慨呢?如果有一款无需动力、节能环保的冰箱,一定能缓解你面对电费账单时的惆怅。其实,这样的冰箱早在上世纪二十年代就已出现,而且你一定想不到,它的发明者竟是两位赫赫有名的理论物理学家!

两位大咖

其中一位物理学家,是爱因斯坦。说起他,人们总会联想到相对论、质能方程、光电效应等令人惊叹的学术名词。可是,很少有人知道,爱因斯坦除了是一位在科学理论方面富有创造性的天才,还对发明技术装置饶有兴趣。据统计,他在45至50岁的几年间,申请了多达19项发明专利,远远超过他当时所发表的科学论文数量。

爱因斯坦

爱因斯坦(图片来源:thenextweb.com)

另一位物理学家,名叫利奥·西拉德(Leo Szilard)。正是他第一次讨论了维持链式核反应的原理,并第一次提出了“临界质量”这一重要概念。早在1934年,他就明确提出可以通过原子核的链式反应来制造原子弹。许多人都认为西拉德对原子弹的贡献超过奥本海默,称其为“事实上的原子弹之父”。不过,西拉德却始终觉得自己不是搞理论物理的材料,因此花了大量时间醉心于技术发明。

 西拉德

西拉德(图片来源:www.findingdulcinea.com)

1919年,23岁的西拉德离开故乡匈牙利,前往德国柏林大学攻读物理博士。当时的柏林大师云集,爱因斯坦、普朗克、能斯特等一大批物理学家常常举办学术沙龙。西拉德自然不愿错过与大师们交流的机会,每次学术沙龙他都踊跃参加,而且每每挤在第一排,给爱因斯坦留下了深刻印象。后来,西拉德还进入爱因斯坦主持的统计物理研讨班。尽管二人十分不同,爱因斯坦谦逊内敛,西拉德直率外向,但他们却都有着强烈的社会责任感,也都钟爱发明新装置,很快就成了亦师亦友的忘年交。

爱因斯坦和西拉德在讨论问题

因斯坦和西拉德在讨论问题(图片来源:www.atomicheritage.org)

一个悲剧

1926年的一天清晨,一阵急促的敲门声打破了西拉德的梦乡,他打开门后,发现爱因斯坦正面色凝重地站在外面。

没等西拉德开口,爱因斯坦就迫不及待地说:“西拉德,我们一起研制一款新型冰箱吧!”

西拉德有些摸不着头脑,问道:“先生,发生什么事了吗?”

原来,当天早晨,爱因斯坦从报纸上看到一则新闻:柏林的一户人家在睡眠时,由于冰箱密封处损毁,有毒气体外溢,酿成了全家死亡的悲剧。

其实,类似的悲剧在当时屡见不鲜。虽然美国工程师帕金斯(Jacob Perkins)在1834年就发明了可连续工作的制冰机,但直到二十世纪初,冰箱依旧是个新鲜玩意儿。当时的冰箱与如今的冰箱很相似,核心部件都是压缩机。然而,机械式压缩机在长期运转后,轴承和密封垫难免会磨损,这就给制冷剂泄漏留下了可乘之机。更可怕的是,与现在常用的无毒环保的制冷剂不同,在冰箱普及之初,人们使用的氯甲烷、氨和二氧化硫等制冷剂全都有毒,一旦泄漏,足以使人毙命。

一台1927年生产的普通冰箱

一台1927年生产的普通冰箱(图片来源:en.wikipedia.org)

爱因斯坦悲痛地将新闻中的惨剧告诉西拉德,西拉德听罢,立刻应允,并说道:“我们研制的冰箱必须取消机械运动部件,才能彻底防止制冷剂泄漏。”

想法虽好,只是,没有机械驱动,冰箱还能运转吗?这可难不倒西拉德,要知道,他读博士期间专攻热力学,曾经仅用三周时间就完成了博士论文,令爱因斯坦大为震惊。

三种设计

作为杰出的物理学家,爱因斯坦和西拉德深谙各种物理原理,他们还十分熟悉技术工作,因此,研制冰箱的过程颇为顺利。

仅仅几个月后,爱因斯坦和西拉德就研制出一种吸收式冰箱。我们知道,在常规的蒸汽压缩制冷机中,高温高压的蒸汽是通过压缩机产生的。而吸收式冰箱却独辟蹊径,采用火焰加热化学溶液(如氨水),释放出冷却剂。接下来的过程就和普通冰箱一样了,高温高压的蒸汽在冷凝器中液化放热,然后进入与冰室相连的蒸发器中并发生气化吸热,从而在冰室中产生人造冰。

 爱因斯坦和西拉德设计的一种吸收式冰箱原理图

爱因斯坦和西拉德设计的一种吸收式冰箱原理图(图片来源:en.wikipedia.org)

爱因斯坦对这一发明很满意,可西拉德却有些愁眉不展。原来,西拉德经过计算后发现,如果将吸收式冰箱投入生产,价格很可能过于高昂,不利于推广普及。于是,他们决定着手研制一种更廉价的冰箱。

不久,二人便基于喷射原理设计出了更为简单的制冷机。他们采用甲醇作制冷剂,利用自来水本身的水压喷射出高速水流,水流流经甲醇表面上方后即形成一个低气压区,从而加速甲醇的蒸发,达到制冷的目的。

 两位大咖设计的喷射式冰箱原理示意)

两位大咖设计的喷射式冰箱原理示意(图片来源:文献[2])

在巧妙应用物理原理的康庄大道上,爱因斯坦和西拉德一发不可收拾。后来,他们又根据电磁原理设计出了第三种冰箱。这种冰箱采用焊接技术将一种液态金属(如水银、钾钠合金)密封于一个不锈钢气缸中,在气缸外侧缠绕线圈并通入交流电。学过电磁感应的小伙伴对此一定很熟悉,正如电动机定子线圈中的交流电会产生旋转磁场而带动转子转动一样,气缸外侧线圈中的交流电也会使液态金属的电磁场发生变化,这样液态金属便在气缸中往复运动,起到活塞的作用,不断压缩制冷剂。

 两位大咖设计的电磁式压缩机原理图(左)及实物(右)(图片来源:文献[2])

两位大咖设计的电磁式压缩机原理图(左)及实物(右)(图片来源:文献[2])

命途多舛

仅用了两年,爱因斯坦和西拉德就根据吸收原理、扩散原理和电磁原理设计出了三种冰箱。尽管依据的科学原理不同,但这些冰箱有一个共同的优点:无需任何机械运动部件!

爱因斯坦和西拉德为自己的发明在六个国家申请了四十多个专利,可悲催的是,居然没有一家公司愿意将他们的发明投入生产!原因在于,虽然二人发明的冰箱有很高的可靠性,避免了制冷剂泄漏,但制造成本较高,制冷效率却低于普通的冰箱,尤其是电磁式冰箱中的液态金属在流动时还常常发出刺耳的噪音。何况当时正处于经济大萧条时期,很多制造商元气大伤,根本无力生产新型冰箱。

一波未平,一波又起。1930年,新型制冷剂氟利昂横空出世,它稳定、无毒,即使泄漏也不存在安全隐患。如今我们早已深知氟利昂对地球大气的危害,可在当时,它的出现却令人们欢欣鼓舞。自此,爱因斯坦和西拉德研制的冰箱彻底被束之高阁了。

图8 - 采用氟利昂作制冷剂的冰箱,它的出现使爱因斯坦和西拉德设计的冰箱退出了历史舞台(图片来源:wonderthought.wordpress.com)

采用氟利昂作制冷剂的冰箱,它的出现使爱因斯坦和西拉德设计的冰箱退出了历史舞台(图片来源:wonderthought.wordpress.com)

然而,世事难料。两位大咖设计的电磁式液态金属压缩机不带任何机械传动装置,可以做直线振动并依靠弹簧实现运动反向,不但解决了制冷剂和润滑剂之间相互作用的问题,还因为采用密封式设计而具有优异的可靠性。由于这些优点,电磁式液态金属压缩机在上世纪五十年代枯木逢春,被成功应用到核反应堆的冷却系统中。后来,这种直线运动式的电磁装置还成为磁悬浮列车推进器的重要组成部分。

如今,随着人们对全球气候变迁及能源问题愈加忧虑,爱因斯坦和西拉德研制的冰箱重新获得不少研究者的关注。2008年,牛津大学的研究团队成功复原了两位大咖设计的冰箱,其可采用太阳能来提供能源,非常便于携带。爱因斯坦和西拉德一定不会想到,时隔近九十年,他们研制的冰箱居然会为拯救地球做出小小的贡献!

图9 - 如今,爱因斯坦和西拉德的冰箱重新获得不少研究者的关注(图片来源:www.wired.com)

如今,爱因斯坦和西拉德的冰箱重新获得不少研究者的关注(图片来源:www.wired.com)

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参考文献:

[1] Einstein A, et al. The Einstein-Szilard refrigerator. U.S. Patent 1781541 [P]. 1927-12-16.

[2] Alefeld G. Einstein as inventor [J]. Physics Today, 1980, 33(5): 9-13.

[3] Dannen G. The Einstein-Szilard refrigerators [J]. Scientific American, 1997 (1): 90-95.

[4] 王德禄. 核和平之父——里奥·西拉德[J]. 自然辩证法通讯, 1988, 10(1): 45-57.

[5] 戴闻. 在通往绝对零度的路上[M]. 上海:少年儿童出版社, 2003.


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