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看似无害的氟氯烃




然而,这一切都是在米基利开始研究安全制冷问题之后才发生的。到20世纪20年代末,他找到了解决办法。他的团队专注于低沸点的烃类小分子,如丁烷。这些物质的缺点是高度易燃并存在潜在爆炸性,所以它们会被当成打火机和野营炉具的燃料。

他们用氟和氯取代了烃类化合物分子上的氢原子,从而创造了一个新的分子家族,叫作氟氯烃(CFCs)。在这样做的过程中,他们可能会制造出比他们开始所用的烃类小分子更危险的物质。如果这些新的分子发生分解,它们会形成氟化氢,这是一种极具腐蚀性和毒性的物质。但是米基利团队认为这种分解是不太可能的,因为氟-碳键很强,所以这种液体会是惰性的,而且事实证明,氟氯烃的确具有化学惰性。解决制冷问题,这似乎是一个完美的化学解决方案,因为如果它们从冰箱后部泄漏,也不会杀死任何人。米基利在这一问题上是正确的,但他误判了氟氯烃的安全性。

氟氯烃被应用后,总是会从冰箱的后部泄漏,但其主要影响似乎只是冰箱发生故障,没有人因此死亡。由于生产它们的成本很低,因此冰箱的普及率也随之大幅上升。1948年,英国只有2%的家庭拥有冰箱,但是到了20世纪70年代,几乎家家都有。这真是个奇迹,一个原本依靠储藏室和冰盒为生的国家,转眼就变成了人人都可以冷藏食物和饮料的国家。冰箱让新鲜食物的配送率大大提升,减少了鱼、奶、肉类和蔬菜等生鲜食物的浪费,食品价格因此变得更低。这不亚于一场制冷革命,一切都要归功于看似无害的氟氯烃。

氟氯烃的分子结构式

坐在闷热的飞机上,我感觉自己需要一点儿冷气。我摆弄着座位上方的喷嘴,想由此获取更多的空气。但它卡住了,我不得不把身子从座位上探起来,这样能多使点儿劲儿。最后,我总算把它拨开了,一阵凉风向我袭来。当我重新坐下时,大概是激起了座位上的一点儿灰尘,猛地打了个喷嚏。它来得很突然,而且无法抑制,你对此无可奈何,可这严重违反了飞机礼仪,特别是当时我还没能用手肘捂住鼻子。前座的女乘客转过头来,通过座位间的缝隙盯着我,表示了她的不满。而一名站在过道里的男乘客,更是向我投来抑制不住的仇恨目光。同行的乘客们都毫不怀疑地认为我得了流感,或是什么更严重的疾病,而我不计后果地带病登上了飞机,很明显是无视了不宜旅行的医嘱。我估计这是我们每个人都曾犯过的一种罪,而且说实在的,病毒在飞机上传播很快,因为每个人都被紧紧地塞进了一个相对狭小的空间。我感觉很难堪。更为难堪的是,我打的喷嚏还有点儿湿,坐在我前面的人可能还感觉到了一两滴口水。苏珊最有理由感到被侮辱,但她并没有说什么,显然还沉浸在书中。我很想道歉,向大家解释这喷嚏是由灰尘引起的,因为我坐下来的时候很可能导致灰尘飘到了空中,但我不知道该如何开口。既然如此,我只好取出手帕擦了擦鼻子以及面前的乙烯基座位套。

空调系统本质上就是空气的制冷机。比如,在你的车里,空调系统让车内空气流经装有制冷剂的铜管,从而使空气冷却。冷空气不能含有高浓度的水蒸气,要不然,空调上就会形成水滴(这也是空气上升到高空遇冷形成云的原因)。因此,空调的附属作用是对空气进行除湿。在炎热而潮湿的国家,安装空调是唯一一种让乘客忍受乘坐汽车、大巴或火车旅行的办法。但是,它也会消耗很多能量,比如,在新加坡,制冷大约占住宅和办公室能耗的50%。在美国,包括火车、飞机、轮船、卡车与轿车在内的整个运输部门,占全国能源消耗的25%左右,而通过空调为建筑物供暖或制冷,则占全国能源消耗的近40%。

如同你的冰箱后部会因为内部制冷而变热一样,汽车或建筑物的空调也会将热量释放到外界环境中去,从而提高空气温度。由此造成的整体效应并不显著,除非是在人口稠密的城市,在那里,空调导致的温度上升是可以被感知的。亚利桑那州立大学的科学家们已经证实,仅仅是因为空调,城市地区的夜间平均温度增加了1℃以上。我承认,这听起来不算什么,但是请记住,全球平均气温即便只是上升2℃,也可能导致严重的气候变化。

因此,使空调更节能是一个全球性的挑战,而我可以很自豪地说,对此我做出了一点小小的贡献。为了提高冷却系统的效率,热量必须借助金属管道快速传导,所以我们会在空调管道中使用铜。铜可能很贵,但它是一种很好的热导体。但是,当天气十分炎热的时候,待在闷热的办公室里,室外的温度接近40℃,即便铜管也不足以让房间保持凉爽。不过,液态冷却剂流过管道的方式会改变这种情况。

如同管道中流出的水一样,均匀的流体是可以被预测的,但是水流的速度并不一致。通常来说,流体的外层,就是距离管道最近的部分,也被称为边界层,比内层的流速更慢。这两层之间没有发生太多的热交换作用,这就降低了热量被传送出去的速度。湍流会将冷却系统的效率大大提高。湍流是一种混乱的流动状态,液体在其中翻滚并产生旋涡,将所有的液体完全混合在一起。增加压力是制造湍流的一种方法(将水龙头开到最大,水就会湍急地从管道中喷涌而出),但是这也会消耗大量的能量。能破坏边界层是最好的,所以我们在铜管内部设计了螺旋槽,这样就可以通过不断混合来破坏层流。这已经成为制造湍流的首选方法,冷却液得以更高效地提取热量,这就从根本上提高了空调的效率,却不会产生额外的能源消耗。这种设计方式很天才吧?

这不是我的发明。爱因斯坦也没想到,所以我心理平衡了。

这种制造湍流的方法是在20世纪诞生的,当时我还在学拼写单词,而爱因斯坦已经离世了。但是当我开始上学、上大学乃至攻读博士学位的时候,空调技术还是没有超过这个水平。能源效率正成为一个更为重要的问题,降低螺旋线、螺旋槽和铜管的制作成本很难,以至于当我获得喷气式发动机合金的博士学位时,牛津大学的布莱恩·德比(Brian  Derby)教授请我帮他解决这个问题。我觉得这个问题和喷气式发动机的合金没有任何关系,所以我不清楚自己应该如何开展研究也完全可以理解。

有凹槽的铜管是通过一个类似挤牙膏的过程制造出来的。想象一下,管子里不再是牙膏,而是一颗子弹,直径比管口略微大一些,所以当你挤压的时候它不会喷出来。相反,子弹挤压着管口,将其撑开,铜管随之变形。但是,因为子弹表面有螺旋形的凹槽,当你挤压的时候,子弹就会旋转并在铜管内部刻出凹槽。这简直就是魔术!唯一的问题是,子弹必须由一种叫碳化钨的超硬材料制成的几个零件栓接在一起,而在巨大的铜挤压机内,压力也会高得出奇,以至于螺栓会因此而崩断,子弹随之脱落,于是整个机器陷入一片混乱,得花费几百万英镑才能修好。

神奇的是,我们找到了一种能解决这个问题的液体。我们确定,如果把材料内部转化为液态,而其他部分保持固态,就可以将碳化钨子弹的两半部分键合在一起。这就像是一次非常精确的焊接。和很多发明一样,一旦你掌握了窍门,就会很容易实现。我们只是把这两部分压缩在一起,然后将它们放进一台高温炉里。于是,液体可以在材料的内部形成并流动到两部分结合处,然后将它们粘接在一起。一旦它完全冷却下来,你就得到了一块无缝的碳化钨。但这并不意味着子弹也会在实际应用中无缝衔接。因此,我去美国圣路易斯一家大型铜管工厂观看我的碳化钨子弹第一次进行实测时,感到十分紧张。我知道,如果它真的破裂了,公司将为此付出数万美元的代价。不过,我可以很自豪地说,液相键合成功了,为此我们申请了一项欧洲专利,即液相键合法(专利号为WO1999015294  A1)。