日前，很多短視頻平臺(tái)發(fā)布內(nèi)容稱，靠礦泉水瓶和風(fēng)扇，就能做出一個(gè)節(jié)能減排的“空調(diào)”。那么這是真的嗎？
首先，關(guān)于近網(wǎng)上流傳的“電風(fēng)扇+半截礦泉水瓶”的“自制空調(diào)”裝置，并不是新發(fā)明。
礦泉水瓶做“空調(diào)”，早在 2016 年 6 月，國(guó)外網(wǎng)站上就有類似的裝置，當(dāng)時(shí)被命名為“零耗電”空調(diào)（“Zero Electricity” Air Conditioner）或環(huán)保降溫器（Eco-Cooler），聲稱能降溫 5℃。
這個(gè)國(guó)外的裝置和近國(guó)內(nèi)流傳的“電風(fēng)扇+半截礦泉水瓶”的“自制空調(diào)”本質(zhì)上是一樣的，所不同的是國(guó)外的使用塑料瓶與木板組成的通風(fēng)裝置是直接裝在房間的窗戶上，利用的是戶外的自然風(fēng)，連電風(fēng)扇都不用，因而噱頭更大，若能實(shí)現(xiàn)，將是真正的“零能耗”。
圖片和信息來(lái)源：https://wonderfulengineering.com/guy-invents-an-air-conditioner-that-works-without-electricity/
那么這種“空調(diào)”到底有沒有效果呢？
有效沒效，實(shí)驗(yàn)室里見真章
有很多人，包括中學(xué)物理教師都做過類似的實(shí)驗(yàn)，但并沒有測(cè)量到明顯的降溫效果。2018 年，筆者作為上海師范大學(xué)學(xué)科教學(xué)（物理）專業(yè)研究生學(xué)位點(diǎn)負(fù)責(zé)人、數(shù)理學(xué)院物理系教授，指導(dǎo)的一篇物理學(xué)專業(yè)的本科畢業(yè)論文《對(duì)一種“不耗電空調(diào)”的檢驗(yàn)》，對(duì)這個(gè)問題也進(jìn)行過較為深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過這個(gè)裝置之后的空氣溫降基本上在 0.2℃ 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于網(wǎng)傳的 5℃，而且大部分情況是通過這個(gè)裝置之后的空氣溫度往往有所上升。
而對(duì)于“風(fēng)扇+礦泉水瓶”的情況，在本文開頭的視頻中，我們也可以發(fā)現(xiàn)，通過礦泉水瓶的空氣溫度確實(shí)也沒有顯著變化。
但是，確實(shí)有不少朋友反映加了礦泉水瓶確實(shí)吹起來(lái)更涼快了，這難道是錯(cuò)覺嗎？
體感溫度≠溫度
為何加了這個(gè)裝置之后，人往往有更涼爽的感覺呢？這首先要區(qū)分兩個(gè)概念：實(shí)際的降溫效應(yīng)和體感降溫效應(yīng)。
實(shí)際的降溫效應(yīng)是指真實(shí)氣體的降溫效應(yīng)，可以通過測(cè)溫儀器來(lái)檢測(cè)。對(duì)于實(shí)際物體，可以直接放置溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度，也可以通過紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀來(lái)測(cè)量。根據(jù)前面所述，加裝礦泉水瓶并沒有明顯的降溫效果，甚至可能出現(xiàn)溫度略微升高的情況。
體感降溫效應(yīng)則是由于人體體表的蒸發(fā)制冷所造成的。由于增加了塑料瓶，使得電風(fēng)扇扇形的出風(fēng)口變小，在特定區(qū)域內(nèi)氣流流速增大，使人體體表蒸發(fā)更快，所以感到溫度降低。不過，這是以電風(fēng)扇出風(fēng)面積的減少為代價(jià)的。
另外，蒸發(fā)制冷效應(yīng)和降溫效應(yīng)是兩個(gè)概念。如果將人體換成干燥的金屬小球，并不能測(cè)出小球溫度的降低。當(dāng)然，如果在小球上裹上一層濕紙巾/濕毛巾，此時(shí)，由于蒸發(fā)制冷效應(yīng)，也能測(cè)出溫度降低。從本文開頭的視頻中我們也能看到，氣流吹拂導(dǎo)致的蒸發(fā)會(huì)讓濕硬紙板的表面溫度降低好幾攝氏度。
要想弄明白一種現(xiàn)象，既需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也需要理論支持，接下來(lái)咱們就從理論角度，看看該怎么解釋。
理論計(jì)算
這個(gè)裝在窗戶上的裝置到底在理論上有沒有可能存在降溫效果呢？這是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，只能通過從理論上構(gòu)建一個(gè)理想物理模型來(lái)探討。
2017 年《物理通報(bào)》雜志上曾經(jīng)有一篇論文討論過這個(gè)問題，通過將流動(dòng)的氣體經(jīng)過縮小的瓶口進(jìn)入房間的過程假想為兩個(gè)絕熱+兩個(gè)等壓的可逆制冷機(jī)來(lái)計(jì)算，其計(jì)算出的制冷系數(shù)為：
其中 α 為氣體在瓶口被壓縮后的壓強(qiáng)與之前壓強(qiáng)的比值，γ 為比熱容比，對(duì)于空氣而言
γ=7/5=1.4
制冷機(jī)的能量來(lái)自何處？為了理論推導(dǎo)，我們假設(shè)流動(dòng)空氣（微風(fēng)）的動(dòng)能提供制冷機(jī)的工作能源。作如下假設(shè)：安裝礦泉水瓶的窗戶面積為 1 平方米（m2），電風(fēng)扇或戶外風(fēng)速一般為 5m/s，假設(shè)風(fēng)速垂直于窗戶，則在單位時(shí)間 1s 內(nèi)有 5m3 內(nèi)的空氣（質(zhì)量為 1.29kg/ m3 x 5 m3≈6.5kg）以速度 5m/s 吹向窗戶，其動(dòng)能為：
假設(shè)房間為 4 米寬× 5 米長(zhǎng)× 3 米高，則總表面積為 94 平米，查得一般建筑材料的導(dǎo)熱率 κ 在 0.2~1 W/(m·K)之間，取 0.5 W/(m·K)（如干磚的熱導(dǎo)率 κ 約為 0.27W/(m·K)，假設(shè)保持室內(nèi)外 5℃ 的溫差，假設(shè)墻壁厚度為 0.2m，則
dT/dz= 5℃/0.2m=25℃/m
則由傅立葉定律可得單位 1s 時(shí)間內(nèi)從室外傳導(dǎo)到室內(nèi)的熱量為：
Q= 0.5W/(m·K) × 25(℃/m) ×94m2 =1175J≈1000J
這些熱量是需要通過制冷機(jī)將其傳輸?shù)绞彝獾?，假設(shè)前面估計(jì)的微風(fēng)的動(dòng)能全部用來(lái)提供制冷機(jī)工作的能源（這只是理論上的，實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)），由
可以求得：α≈1.4，即要求微風(fēng)空氣流或電風(fēng)扇的微風(fēng)在從瓶底吹向瓶口的壓縮過程中，其大氣壓要從 1 個(gè)大氣壓增大到 1.4 個(gè)大氣壓，這是難以實(shí)現(xiàn)的。
因此從理論上的分析來(lái)看，是有降溫效果，但遠(yuǎn)達(dá)不到 5℃ 的降溫效果。上面探討的是將這個(gè)裝置放在窗戶上，通過室外的微風(fēng)動(dòng)能作為能量，從理論上來(lái)分析，是有這個(gè)可能，只是降溫效果特別小。
回到這次的“礦泉水瓶+風(fēng)扇”裝置，也就是在室內(nèi)的電風(fēng)扇出風(fēng)口處裝上礦泉水瓶的裝置，如上述可知，這個(gè)裝置從理論上也沒有降溫效果。
這是因?yàn)殡婏L(fēng)扇放在室內(nèi)，電風(fēng)扇需要耗能，從能量守恒的角度，室內(nèi)溫度只會(huì)越來(lái)越高，不可能像空調(diào)那樣能起到給室內(nèi)降溫的效果。這個(gè)道理就相當(dāng)于在室內(nèi)打開電冰箱的門，顯然是不能讓室內(nèi)有降溫效果的，反而會(huì)使室內(nèi)越來(lái)越熱，溫度越來(lái)越高。
編輯的話：本次實(shí)驗(yàn)有其局限性，使用的是民用級(jí)測(cè)量器材，也并沒有在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作，可能存在一定的誤差，歡迎大家積極思考、質(zhì)疑和嘗試。
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