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09 对抗高温的氟氯烃、全氟化合物、丁烷





当我从洗手间走回来的时候,我经过了飞机上一扇巨大的椭圆形紧急出口:一扇舷窗,配了一把诱人的红色大号手柄。我总觉得打开飞机舱门是一种奇怪的愿望,也不知道是为什么。但是如果我真这么做了,机舱内的空气就会被吸出,随之被吸出的还有我和其他没有系安全带的人。所有系着安全带的人还会待在原地,但是飞机上的空气温度也会骤降到大约-50℃,空气压力也会下降,于是乘客们的呼吸也变得异常困难。这个时候,正如我们在起飞前安全须知中所了解到的那样,氧气面罩便会从头顶上方的储物柜上落下来。

当然,高空中的低气压,正是我们会飞得如此之高的原因。空气密度越低,飞行的阻力越小,飞机越省油,就能飞得更远。然而,这给飞机工程师带来了一个双重问题,他们必须找到防止乘客窒息或出现低温症的方法。有了空调,他们得以实现这一点,而空调的历史,也涉及这个星球上一些最危险的液体。

我回到座位上,冲着苏珊报以道歉的微笑。我希望这个微笑可以向她传达我的歉意,因为我打断了她的阅读,让她解开安全带,迫使她站了起来,不小心还把她膝盖上的面包屑弄掉了。当然了,这都不是我的错,只是飞机座位安排的结果。不管怎么说,上厕所是一件再正常不过的事情,即便我已经去了相当长的时间。

苏珊笑着站了起来,好像在对我说:“去洗手间没关系的,别担心。”她挤到过道里,我顺势从她身边溜了过去,回到了我的座位上。飞机还在剧烈地颠簸摇晃,我们都扣上了安全带。湍流是我们经过区域的空气密度变化引起的,受制于以下天气情况:我们正在穿过稀薄空气与稠密空气的混合区,当飞机撞上稠密的空气时,由于阻力增加,速度也变慢了。然而当它钻进稀薄空气的口袋阵时,就会突然出现高度下降,因为稀薄空气对机翼造成的升力较小。

但是,尽管外面的气压正在快速变化,但我的呼吸还相当平稳。机舱内的气压虽然比我习惯的压力更低,但是并没有波动。这还得归功于空调,一个高度专业化的工程领域,甚至爱因斯坦当年也对此颇有兴趣,并通过革新获得了多项专利。尽管当时他更在意的是拯救地面上的生命,而不是为了让人们在长途飞行中呼吸。



让爱因斯坦受挫的空调


爱因斯坦尝试解决的问题是:20世纪20年代,新发明的冰箱越来越受到欢迎,冰盒则日渐式微,后者作为保持物品凉爽的方法已经沿用了数百年。但是,这些早期的冰箱并不是很安全。当爱因斯坦在报纸上看到,柏林一个家庭的几个孩子因为冰箱里的水泵漏水而中毒时,他感到十分震惊。当时,冰箱使用的液体冷却剂不外乎以下3种:氯甲烷、二氧化硫或氨,它们都是有毒的。不过,由于它们的沸点很低,因此被用来制造冰箱。

冰箱的工作原理是将液体泵入冰箱内的一系列管道中。如果它们的温度高于液态时的沸点,它们就会沸腾。沸腾时需要吸收能量来打破分子之间的结合力(这被称为潜热),而这些能量就是从冰箱内的空气中获取的,这样就将空气冷却了。因此,对这些低沸点液体的要求是,要在冰箱内大约5℃的温度下沸腾。但是,要想让某种液体在冰箱中真正发挥作用,你还需要利用一台泵将其压缩并重新变为液体。

为了将气体压缩成液体,你必须要移除其中所有的潜热,本质上,热量是在气体中被“挤”出来的。这发生在冰箱的后部,你可以听到压缩机在运行,也就是冰箱断断续续发出的“嗡嗡”声,所以冰箱的后部总是很热。而你打开冰箱门并不会使房间降温,因为无论冰箱门打开后降低了多少温度,都会被后部因泵而产生的热量抵消,这是热力学第一定律的体现。这个定律说明,如果我们通过吸收能量让某种物体降温,那么能量就必须转移到其他地方,它不能凭空消失。所以,能量就从冰箱的后部出来了。

将泵安放在一组装有液体的管子上,再加上一个阀门,就可以让液体变成气体,这听起来很容易,却是一个相当大的工程挑战。气体受到高压,所以分子会不断运动,撞击管道的内壁。无论管道和泵在何处连接,系统中都会存在弱点,如果没有合适的材料,不断折腾的分子便会膨胀并逸出。这正是早期冰箱出现的问题。半夜里,氨气泄漏了,于是一家人都死在了床上。

爱因斯坦很想为此做点儿什么。作为一位专利律师,他也很了解机械和电机技术的复杂性。于是,他开始和一位名叫里奥·西拉德(Leo  Szilard)的物理学家合作,尝试发明出一种新型冰箱,一种放在家中使用更安全的冰箱。他们想彻底放弃外部泵以及所有附属的连接原件,构建一个没有移动部件的系统,这样就不太可能发生故障。

从1926年到1933年,西拉德和爱因斯坦共同尝试了一些不同的方法,将液体处理成气体,再还原成液体,从而创造出一台能够正常工作的冰箱。当然,正如我们刚刚提出的,液体蒸发为气体时会为周围的环境降温,但是从另一方面来说,液体的回收始终是通过一台泵完成的,它迫使气体分子重新回到与另一个分子非常接近的位置,将它们再次压缩成液体。可见,必须用不同的方式实现这一点,而西拉德与爱因斯坦对此有很多设想。他们制作了工作模型并申请了多项专利,其中一种设计是利用热能驱动液态丁烷充满一组管道,在此它可以与氨结合形成气体,并产生冷却效果,然后将气体与水混合,氨气被吸收,而丁烷则通过管道循环,继续制冷。第二种方法是采用液态金属,首选水银,使其流经一组在电磁力作用下不断振动的管道。振动液体引起的振荡作用扮演了活塞的角色,从而将制冷剂从气态压缩成液态。这实质上是通过将一种液体作用于另一种液体来实现制冷,不使用任何移动的固态零件。与其他设计一样,工作流体被密封在管道中,所以据推测,这比当时采用的其他模型都更安全。

虽然不少商业机构对他们设计的原型都有兴趣,比如瑞典的伊莱克斯(Electrolux)公司购买了一项专利,而德国公司西托戈(Citogel)则开发了另一项专利,可是西拉德和爱因斯坦的伙伴关系却难以维系了。那时候,纳粹党在德国越来越受欢迎,对于西拉德和爱因斯坦这样的犹太人来说,在德国生活与工作变得越来越困难。

西拉德搬到了英国,并在此推出了一项改变历史进程的发明,无关乎制冷,而是关于加热。这就是原子弹背后的原理:核连锁反应。与此同时,随着日益敌对的纳粹党开始掌权,爱因斯坦去了欧洲游学。爱因斯坦与西拉德两人最终都抵达了美国,在那里他们原本还可以继续合作,但是为时已晚。美国的科学家们也一直致力于使冰箱变得更安全,但他们采取了相反的办法来解决这一问题:使工作流体变得更安全,而不是放弃泵。1930年,化学家托马斯·米基利(Thomas  Midgley)发明了氟利昂,它被誉为安全而廉价的液体,这也将爱因斯坦和西拉德赶出了制冷行业。不幸的是,事实证明氟利昂一点儿都不安全,但是直到50年后,这一真相才浮出水面,尽管托马斯·米基利就是因制造危险液体而出名的。

20世纪20年代,托马斯·米基利在通用汽车公司工作时,发现了一种叫作四乙基铅的液体,将它添入汽油,汽油会燃烧得更彻底,从而提高汽油发动机的性能。四乙基铅的性能很好,但它是含有剧毒的铅。米基利在工作期间,自己也中毒了。1923年1月,他这样写道:“我发现我的肺部受到了影响,必须停止所有工作,呼吸大量新鲜空气才行。”尽管危险显而易见,他还是继续坚持研究。这需要很多年的时间,在此期间,一些生产工人遭受铅中毒的危害,出现幻觉甚至死亡,但是最终在1924年,米基利举行了新闻发布会。为了证明四乙基铅的安全性,他把液体倒在手上,并吸入蒸汽,然后再一次铅中毒,但这并没有阻止他将四乙基铅投入商业生产。

四乙基铅后来在世界各地被用作汽油添加剂,但是从20世纪70年代起,由于铅中毒的现象越来越多,因此它逐渐被淘汰(在英国,直到2000年1月1日才被完全禁止)。此举产生了一系列积极影响,比如儿童血液中的铅浓度急剧下降,同时,也带来了很广泛的社会效应。举个例子,含铅燃料的使用率和暴力犯罪之间存在着显著的统计相关性,这就是铅作为一种神经退化物质的作用。科学家甚至还推测,禁止含铅汽油会显著提高城市居民的智力水平。