冷是什麼？
從熱量轉移看見製冷原理

文／圖　童憶穎

製冷原理、冷媒循環與壓縮機運作完整解析 (1/3)

當我們說要「把東西變冷」，其實意思就是要把它的熱量移除。舉個例子，假設你剛剛在大賣場買一罐常溫溫度大約 26°C 的汽水，但你想喝涼爽一點的汽水（最好是 5°C 左右），那你會把它放進冰箱裡一段時間，而在這段時間裡，汽水裡的熱量會慢慢被移走， 等熱量少到一個程度，你就可以開心的喝到一罐「冷」的汽水了。（嗯～應該說是「熱少一點」的汽水才對。）可是你覺得汽水要喝冰鎮的才會爽，所以就再把那罐 5°C 的汽水放進冷凍庫，過一會兒再拿出來，這罐汽水可能就降到 1°C 了。也就是說就算已經是「冷」的汽水，裡面其實還是含有熱，而這些熱還是可以繼續被移除，直到它變得「更冷」。

理論上，這個過程的極限就是把物體裡所有的熱量都移除，如果物體冷卻到絕對零度，也就是華氏 -460°F（攝氏 -273°C），此時分子基本上靜止不動，熱能也就徹底消失，科學家們在實驗室條件下已經很接近做到這一結果，並發生神奇的電超導（electrical superconductivity）現象。

東西是如何變冷的？

讓物體變冷的三種方式

在製冷設備的設計裡，最常用到的熱量轉移方式是傳導和對流。假設將兩個物體放在一起並保持接觸，其中一個是熱的，另一個是冷的，則熱量就會從熱的物體流向冷的物體，這種熱量轉移的方式叫做傳導，就像一顆球在斜坡上，總是會往低的地方滾一樣。而另一種方式叫做對流，例如你在熱騰騰的食物旁邊搧風，食物就會涼得比較快，這是因為熱量被空氣帶走了。最後一種是輻射，想像你把一顆還在發紅發亮的木炭踢離營火，你會看到它慢慢變暗、變冷，原因是熱量一點一滴透過輻射流失掉了（注意！物體不一定要發光才能輻射熱量）。

其實所有事物都使用這三種方法的組合來跟環境「交換熱量」達到平衡，所以，當我們想讓某樣東西變冷，最簡單的方法就是把它放在比它更冷的東西旁邊，接下來熱量會自己慢慢流動，剩下的就交給大自然搞定啦！接下來在談「製冷系統到底是怎麼運作的」這件事之前，還有幾個基本概念得先搞清楚，這樣後面才會更好懂。

物質的三態

物質三態：固態、液態、氣態

上圖有個很重要的觀念，如果你想讓東西從固態變成液態，或者從液態變成氣態，就要加熱，也就是把熱能灌進去；反過來，如果要讓氣態變回液態，或是液態變回固態，那就要把熱拿走。簡單來說，物質在改變狀態的時候，熱量的「進」或「出」就是關鍵。

潛熱的奧秘

很久以前大家發現用「比較熱」、「比較冷」或「超級熱」這種說法，根本沒辦法把熱量講清楚，於是他們想了一個簡單的方法來量化，就是拿 1 磅（LB）的水，把它的溫度提高 1 華氏度（°F），看看這個過程需要多少熱量，這個熱量單位就被定義為 1 BTU（英國熱量單位，British Thermal Unit），從那時候開始，製冷產業就一直沿用這個標準來計算熱量。

英熱單位（BTU）是將 1 磅海平面水的溫度升高 1 華氏度所需的能量

舉個例子，你在市面上可以買到一台 6000 BTUH（每小時 6000 英熱單位）的窗型冷氣，意思是這台冷氣每小時可以「搬走」6000 BTU 的熱量。 如果是更大台的 12,000 BTUH 冷氣，就會被稱作一噸（1 Ton），因為一噸冷氣的定義就是 12,000 BTU。

再以水為例，如果你要把 1 磅的水從 50°F 加熱到 51°F，只需要 1 BTU 的熱量；同樣地，從 177°F 加熱到 178°F 也仍然只需要 1 BTU。這表示水的升溫過程中，每提升 1°F，就要投入 1 BTU 的能量。

不過這個規律在水達到沸點時就不再適用了。當水的溫度升高到 212°F（攝氏 100°C），也就是它的沸點時，即使你繼續加入熱量，水的溫度也不會再上升。這是因為水會「寧願」改變狀態變成水蒸氣，而不是再升溫，這裡的關鍵概念是當物質達到沸點時，所吸收的熱能不再用來升高溫度，而是用來進行狀態的轉變，也就是從液態變成氣態。

如果你做個簡單的小實驗，每次往 1 磅的水裡精準地加入 1 BTU 的熱量，你會發現水的溫度會一度一度地上升，一直到 212°F 為止。一旦達到這個溫度後，不論你再怎麼加熱，溫度都不會再升高；這些熱量會被拿去轉化水的狀態，讓水慢慢變成蒸氣。那麼，要把這 1 磅的水完全從液態轉變為氣態，到底需要多少熱量呢？答案是：970 BTU。這段能量有一個專業的名稱，叫做蒸發潛熱（Latent Heat of Evaporation）。

潛熱與水的加熱三態溫度變化圖

你有沒有想過，為什麼一杯水放在室溫下不會自己煮沸？多數人直覺會回答：「因為水還不夠熱」。這個答案只對了一半，真正讓水無法輕易沸騰的關鍵，其實是大氣壓力。空氣中的分子會不斷撞擊水的表面，這種擠壓的力量，就像無形的手，緊緊把水分子壓在液態裡，讓它們沒那麼容易掙脫變成氣體。要讓水沸騰，除了加熱還得讓水分子有足夠的能量去對抗這股壓力，突破「封鎖線」變成水蒸氣，這也正是為什麼我們說「水的沸點在華氏 212°F（攝氏 100°C）」。因為在標準大氣壓（1 atm）的情況下，水分子要到這個溫度，才有能量足以衝破大氣的壓力障礙，開始變成氣體。

但這個沸點其實不是固定不變的，它會隨著壓力而改變。假設你在海拔很高的地方，像是聖母峰山頂，當地氣壓比平地低得多，水就會在比 212°F 更低的溫度下開始煮沸，這是因為氣壓降低，水分子所需要「打破」的壓力門檻也變低了。又或者你把水帶到外太空（幾乎是真空），水甚至不需要加熱就會瞬間沸騰，這種現象叫閃蒸（flash evaporation）。（簡單說，就是沸點變低了）

用實驗觀察這個現象，只要把水放進一個密閉玻璃罩（鐘罩）裡，再用真空泵將裡面的空氣抽走，隨著氣壓降低，水會在室溫下就開始沸騰。這是因為外界壓力下降，水不需要再加熱到 212°F，也能達到沸騰條件。了解這個現象之後，你會發現一個重要的概念是液體若想要變成氣體，除了要吸收熱量，還必須克服它表面上的壓力。這也說明為什麼液體在蒸發時，會從周圍環境中奪走熱量，因為它需要能量來完成這場「逃脫」行動。

而這個物理原理，正是機械製冷系統設計的核心邏輯之一，當冷卻工程師們開始設計冰箱與冷氣時，他們思考的不是「怎麼讓水變成氣體」，而是：「有沒有什麼液體，比水更容易在低溫下就能蒸發？」因為水的沸點太高，要讓它蒸發吸熱需要投入大量能量，效率太低，但如果能找到一種沸點更低的液體，它就能在更低的溫度下輕鬆蒸發吸收熱量，這樣的冷卻效率會高得多。

經過多年研發與實驗，科學家們終於找到合適的製冷媒介，那就是氫氟碳化合物（Hydrofluorocarbons, HFCs）。這類冷媒的最大特點是沸點極低，有些甚至在常壓下於華氏 0°F（攝氏 -18°C）以下就開始沸騰，非常適合應用在製冷系統中。簡而言之，掌握壓力與沸點的關係，是冷卻技術的核心關鍵。

接下來終於可以來聊聊機械製冷到底是怎麼運作的！