互动科普

现在，居家过日子，冰箱已不可或缺。现代家用冰箱，不过才百年历史；开始进入家庭厨房是在氟利昂出现之后，不过也就80年的历史。如今，冰箱是厨房必备电器，给生活带来了极大的便利。

古代用冰保存食物

世界各地的先民们大概都知道一个浅显的道理，即冬天气温低时食物不易腐败，天热时食物易腐败。用冰降温谁都可以想到，但实现却不容易，尤其是在夏季，一冰难求。

《周礼·天官·凌人》中有“祭祀供冰鉴”的记载，可见我国周代已有原始的“冰箱”。《诗经》中曾描述过冰窖，冬天人们把冰藏在冰窟（又叫凌阴）里面，到夏天再取出使用。我国沿海渔民很早就学会了在夏季出海捕鱼时带上储藏的天然冰块，用以冷藏捕捞到的鱼类，这就是人们常说的冰鲜船。我国各地博物馆都有历朝历代传世的冰箱。清代晚期的木胎冰箱，多用红木、花梨、柏木等较为细腻的木料制成，装饰华丽。冰箱内盛天然冰块和食物，使食物保质保鲜。

世界上许多地方都有使用冰窖和冰箱的记载。如1800年，美国华盛顿近郊的马里兰农场主托马斯·莫尔用自己设计的冰箱运送黄油到集市中心乔治镇市场，他把黄油整齐地切成一磅一块，新鲜坚硬，卖得比其他商贩迅速融化的黄油要贵要快。

人工制冷的冰箱

随着物理学的发展，人们了解了制冷的原理，最初发明的制冷机器是制冰机。世界上第一个演示人工制冷的是英国格拉斯哥大学的威廉·卡伦，他在1748年发现制冷的原理，但没有进入实用。1805年，美国发明家奥利弗·埃文斯设计了第一台制冷机。第一台实用的制冷机是雅各布·帕金斯在1834年制造的。1844年美国医生约翰·古德伊尔根据埃文斯的设计制造的一台冰箱用来制冰，给他的黄热病患者降温。德国工程师卡尔·冯·林登在1876年申请了液化空气的专利，其中一部分是制冷技术的基础。

从19世纪晚期到1929年，一直使用有毒的气体如氨气、氯甲烷和二氧化硫作为制冷剂，20世纪20年代发生过几次冰箱制冷剂泄漏事故，氨气、氯甲烷导致眼睛受到损害、失明，甚至致人死亡。几家公司合作开发新的安全制冷剂，终于在1931年开发出安全制冷剂氟利昂，基本原理是采用电动机驱动压缩机制冷，因此称作电冰箱。此后仅仅几年时间，标准的压缩式制冷的冰箱就进入了很多家庭的厨房，二战后的20世纪40年代开始大量生产。目前世界上95%的电冰箱属于这一类。早期的冰箱是木制的，到19世纪20年代才逐渐被钢和磁器品代替。

图1. 早期的“老人牌”冰箱。它更像一个用冰制冷的冰柜，上边是制冷机。

压缩式冰箱的工作原理

低温的获得与气体的液化密切相关。早在18世纪，荷兰人马伦就用高压压缩的方法把氨气液化；1877年，科学家用高压的方法液化了氧气；到20世纪初，几乎各种气体都被液化，液化的气体通常处于低温状态。19世纪后半叶热力学的发展和完善，为制冷技术打下了理论基础。其实冰箱制冷技术比较简单：把某种气体压缩成液体，压缩过程发出热量；然后液体迅速气化，快速膨胀的气体分子密度降低，温度迅速下降，需要从介质中吸热增加动能，介质失去能量，因此变冷。气体迅速膨胀是冰箱制冷的基本原理。

冰箱的工作过程分为几步。首先，压缩机把氨、氟利昂等气体压缩，在冰箱外散热（一般在背后或侧面），气体在高压下变为液体；高压液体经膨胀阀气化，膨胀阀是一个小孔，一边是高压液体，另一边是被压缩机吸走气体的低压区，通过膨胀阀的氟利昂立即沸腾并气化，温度下降到零下20多度，低温气体流经冰箱内弯管吸热，冰箱内变冷；接着压缩机把吸热的气体再进行压缩，进行下一个循环。

图2. 现在冰箱所使用的制冷压缩机

氟利昂破坏臭氧层

氟利昂（freon）学名氟氯烃，是几种氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称。氟利昂在常温下为无色气体，化学性质稳定，具有不可燃性和无毒性，可被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。自20世纪30年代初发明以来，经半个世纪沿用至80年代后期，氟利昂的生产达到高峰，年产一两百万吨。目前，全世界向大气排放的氟利昂已达到两三千万吨。

氟利昂虽然无毒，但它是破坏臭氧层的元凶。由于氟利昂在大气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其中多数停留在对流层，少数升入平流层。在对流层的氟利昂分子很稳定，几乎不发生化学反应。但是，当它们上升到平流层后，会在强烈紫外线的作用下被分解，含氯的氟利昂分子会分解出氯原子，同臭氧分子反应，生成氧气和一氧化氯基；一氧化氯基不稳定，很快又会变回氯原子，氯原子又与臭氧反应生成氧气和一氧化氯基⋯⋯如此形成连锁反应，不断破坏臭氧分子。科学家估计，一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子，即一克氟利昂可以捕捉消灭数万克臭氧。

现在，环保冰箱使用环境友好的制冷剂，从原理上说很多物质都可作为制冷剂，比如水、二氧化碳等，主要考虑的是安全性，高效率。一般制冷剂很少采用单一物质，大都采用混合型的工作物质。目前，开发完全替代氟利昂的高效经济的制冷剂还有一定的难度。

另外，还可发展其他制冷方式的冰箱，比如吸收式电冰箱、半导体电冰箱、化学冰箱、电磁振动式冰箱、太阳能电冰箱、绝热去磁制冷电冰箱、辐射制冷电冰箱、固体制冷电冰箱等。

冰箱的使用

我国从20世纪50年代开始生产电冰箱。目前冰箱年销售量达到3000多万台。冰箱的普及也把我们如何正确使用冰箱提上了议事日程。很多人把冰箱当成了家里的食品“消毒柜”、万无一失的“保险箱”，这是不对的。冰箱只是延长保存食物的期限，如熟肉类食物在冰箱的冷藏室中储存时间不应该超过4天。如超过这个时间，食物就会失去原有的鲜美味道和营养成分。另外，因为放进食物时可能已经带进一些细菌及病毒，不少病菌可以潜伏在低温环境中，等待时间长了就会伺机大量繁殖，兴风作浪，使保存的食物发霉、腐败变质，即使表面看不出问题，里面也很难说。特别是有些细菌嗜冷，如耶尔森菌、李斯特氏菌，在低温下反而能迅速增长繁殖。所以，放入冰箱内的食品必须是清洁、干净的。

（本文发表于《科学世界》2011年第5期）