人工制冷技术的发展史

人工制冷这个概念仅仅起源于200年前,但是在两个世纪之后的今天,人类世界已经因制冷技术发生翻天覆地的变化:小到孕育新生命,大到平衡东西部贸易,甚至是全球性的人口迁移,人工制冷功不可没。[1]

图:制冷循环

  第一章:冰块的航行

在1834年的初夏,一艘名为“马达加斯加号”的三桅杆帆船缓缓停靠在里约热内卢的港口。船舱里装满了最离奇的货物——一整块新英格兰封冻的湖面。当时,马达加斯加号其上的水手们,正在为一名有商业头脑并且坚韧不拔的波士顿商人打工。这个商人名叫弗雷德里克·涂铎。

图:弗雷德里克·涂铎(1783-1864

涂铎在新英格兰的家后院有一口池塘。不过这口池塘不仅仅为了好看,冰冻的池塘还能长时间提供冷冻作用。涂铎家在自家的冰窖里储存大量的冰块,以备来年使用。等到夏天的到来时,一块块200磅的冰能出乎意料地保持原貌。盛夏日,大冰块凿碎、用来冰镇饮料、做冰激凌、或者用来洗冷水澡。

图:工人在冰封的湖面采冰

17岁的那年(1800年),涂铎被爸爸送到加勒比。在热带潮湿闷热的酷暑里,有位小绅士想出了一个异想天开的点子。他告诉涂铎:如果能把北方的冰在需要之时卖到南方来,市场的规模将无可估量。

凭借着敏锐的商业头脑和敢打敢拼的魄力,涂铎在1805年着手把北方的冰运到南方去。一开始涂铎的运冰生意很不顺利,在技术方面,南方储藏冰块是一大难题,否则冰块会在烈日下极速融化。这一问题在接下来的几年里反复出现,损失也一次次加大。

但是涂铎的商业头脑以及坚韧不拔的性格最终让他克服了困难。经过几年的试验,涂铎发现锯末能完美充当冰块的隔热层。如果层层叠放的冰块中间加入锯末,其寿命是没有锯末的两倍。涂铎还捣鼓了好几种冰窖的设计,最终敲定了一种,用两层石墙内空气隔绝室外环境的双层壳结构。

虽然涂铎不理解其中的分子运动,但是锯末和双层冰窖其实运用了同样的原理。冰块融化时,需要从环境中吸取大量的热量来破解水分子凝固时形成的四面体结构。这种吸热的过程使周围温度下降。但是吸热只发生在冰块的表面,中间的四面体结构则不受影响,这就是为何冰块越大融化越慢。

图:锯末和冰块

涂铎开始构思冰块生意的15年之后,这门生意总算开始盈利了。到了1820,涂铎从新英格兰出发的运冰船开到了南美遍地。到了1830年,他的生意扩展到里约和孟买(印度最后发展成涂铎利润最大的市场)。直到涂铎去世的1864年,他靠着冰块生意累计了相当于现在两亿美元的利润。在当时,2/3的纽约家庭每天都有冰块快递。在不到一个世纪里,冰块从稀奇品变成奢侈品,最后成为人们生活的必需品。

图:美国乡村的运冰车

冰块冷藏系统曾一度改变美国地貌,最大的例子就是芝加哥的巨变。芝加哥的地理位置使其成为东西部农作物流动的中转站。小麦谷物的运输还好说,肉类在运输中就没法不变质。随着时间推移,东北大城市和中西部之间的供求不平衡渐渐出现了。19世纪40、50年代的移民潮带动纽约和费城的人口膨胀,本地的牛肉供应跟不上快速增长的需求。同时,中西部大平原的开发使农场主们以越来越低的价格大量放牧。但是一方是有肉卖不出去,一方是要肉没有来源。最后是冰块的大规模使用,才使得这种困境得以打破。

  第二章:南部制冷史

这一章故事开始于蚊虫肆虐的佛罗里达小镇,阿巴拉契科拉(方便来说,叫阿镇吧)。阿镇的居民生活在一片亚热带的沼泽旁边,因此在1842年里,大量的蚊虫导致疟疾肆虐。在阿镇医院,一名叫做约翰·格里的医生经常眼睁睁看着病人在高烧里痛苦挣扎。情急之下,他把一大块冰悬挂在医院的屋顶上,希望能减缓病人的痛苦。此举立竿见影,冷却的空气的确能使病患的体温下降。退烧后,一些病人幸存下来。但此时,冰块存货却因北方运冰船的一连串海难告急。于是乎,这位年轻医生开始着手一个大胆的计划:自己造冰!

图:约翰·格里医生

其实格里医生的点子,可以说是天时地利人和。19世纪时人工制冷的理论基础被渐渐接纳。借用复杂系统研究者斯图亚特·考夫曼的话,人工制冷在当时成为“触手可及”的未来技术。

人工制冷的理论基础不是一两个天才脑袋想出来的。这个理论,说到底是人类智慧一点点积累,一点点融会贯通所形成的。

人工制冷的第一要素现在看来似乎很幼稚,那就是理解“空气”不是“空”的。在17世纪,业余科学家们发现一个奇怪的现象——真空。真空似乎像平常空气,但是又有空气不同的性质。火焰在真空中熄灭,两半真空球连马都拉不开。

在1659年,爱尔兰科学家罗伯特·波义耳置一只鸟于真空罐中,用空气泵吸出罐内空气。鸟果然死了,但是同时,鸟尸体也冰冻上了。如果真空不能支持生命,那非真空——空气中必有物质可以支持生命。同时,改变空气的气压或者体积可以改变温度。

人类的智慧在18世纪得到扩展:当蒸汽机的发明迫使工程师们分析热和能量之类的转换关系时,热学孕育而出。衡量热和力的工具越来越精确,测量也标准化。当测量的精度达到一定时,科学技术便指出突破的新方向。

理解人工制冷的一砖一瓦都在格里医生的脑子里一块块累积,他尝试着自己做了一个制冷器。这个制冷器需要能量来压缩空气。压缩气体做功,气体平均内能上升,温度上升。制冷器运用活水冷却压缩气体,带走一部分内能。压缩气体膨胀,为达到和环境平衡,吸取环境中的内能,降低环境温度。这一步就像冰块溶解时吸热一样。

格里医生的冷却器却意外成功了。冷却器制作的冰把医生从千里之外的运冰船里解放出来,本地冰就足以解决病人的痛苦。格里医生发明了人工制冷,但他并没有因此成为商人,制冷器却一瞬间出现在了世界各个角落。不是因为有人抄袭他的设计,只是因为人类的科技进步同时推动不同的人做出了同样的发明。其中一人是法国工程师费迪南德·卡雷。他的制冷器和格里医生的使用同一种原理。

当美国南北战争在1861年爆发,北方的禁运导致运冰船的贸易往来停止。闷热的南方各州发现人工制冷不得不大面积推广了。基于格里原理的制冰机很快被走私过封锁线,进入南方。这些机器用氨气作为制冷剂,每台每天能制造400磅的冰。卡雷的机器则从法国直接走私进了佐治亚,路易斯安那和德克萨斯等州。到1870年,南方诸州的造冰量比全世界其他地方总和还多。

19世纪的世界,充斥着更高更大更强,包括机械和制造业。但是人工制冷的下一个突破,则是小型化。

图:南方诸州的制冷器

  第三章:速冻食品

1916年冬天,一个特立独行的自然学家兼企业家居家迁移到了拉布拉多的荒原上。他在之前来这里住了几个冬天,圈养狐狸并建立了一个皮毛公司。在这片荒原上,食物不尽人意。拉布拉多冰冷的气候让任何过冬藏货都变成冰冻,解冻之后全部是黏糊糊一块。除了鱼之外,没有任何新鲜食材。这位自然学家便跑去和因纽特人一起,在冰面上开洞吊冰鱼。他发现,只要天气够冷,上钩的鱼在几秒钟之内就速冻上了。

图:因纽特人的冬储,加拿大1924

不经意间,这位年轻的自然学家当天和家人一起吃饭时,发现一个重要的现象。当冰鱼解冻之后,并没有像平常一样软成一团,而是保持了原有的新鲜度。这个变化实在太大了,以至于他下决心要弄清楚其中奥秘。

克拉伦斯·佰载,开始一点点研究速冻食品的奥秘。他的努力最终将他的名字贴在了全世界速冻豌豆和速冻鱼排的包装上。他发现,冷冻的速度决定了食材保鲜程度。慢速冷冻使水分子结晶变大,但是速冻则产生微小的水晶体,因此对于食材纤维破坏相对小。

图:克拉伦斯·伯兹艾Clarence Birdseye

伯兹艾想到了一个方案,当冰箱成为家庭必须时,速冻食品的市场无可估量。当然食材的质量是关键。20世纪的头10年,冰冻食品被视为食品行业的最底层,其质量差到连纽约监狱系统都禁止向罪犯提供冰冻食品。这其中最大的问题,是冰冻温度太高。当时的冰冻温度仅有零下几度。但是科技发展,冰冻温度渐渐能和拉布拉多的气温媲美。1920年时,伯兹艾开发了整套鱼罐头的速冻系统,使用温度是零下40度。伯兹艾发现,任何经由他速冻的食材,不论是水果,肉类,还是蔬菜,解冻后新鲜依旧。尽管如此,速冻制品还需要几十年才能大范围走向美国餐桌。因为速冻食品的链条需要在超市和家庭里有一定量的制冷器,这直到战后才变为现实。伯兹艾的试验非常成功。

图:战后美国冰箱广告

  第四章:空调产业

20世纪50年代,美国民众的生活已经被人工制冷彻底改变:大量购买超市里的冷冻食品,储存在新买的冰箱。这些都体现着新兴的制冷技术。但是在当时,最具代表性的不是食品冷冻,而是对于一整间房子的冷却(同时除湿)。

第一部“空气调节器”起源于1902年,出自一个年轻的工程师,名叫威利斯·开利之手。他当时被一家布鲁克林的印刷公司委托,设计一种能降低空气湿度的器具。在闷热的夏天,过高的空气湿度导致油墨晕开,降低印刷质量。

图:空调之父:威利斯·开利(Willis Haviland Carrier,1876-1950)

开利的设计不但能降低湿度,同时也降低了印刷机的温度。好玩的是,他注意到,一大堆人更喜欢在印刷机附近休息和吃饭,所以他开始另行设计一种专门针对室内空气的祛湿降温机。

图:威利斯·开利的离心式压缩机空调

1925年到1950年间,大多数美国人都只能在大型的商场、电影院、宾馆等地享受到空调。但是开利敏锐觉察到,空调必须能走进千家万户。但当时的机器实在太大太贵,中产家庭无法承担。40年代晚期,当首款窗口一体机出现时,家用空调才真正落入寻常百姓家。紧接在五年内,超过100万台一体机在美国境内被购买。以前无法忍受的闷热地带,现在渐渐成为宜居点。

图:美国家居空调广告,1960年

到1964年,因南北战争定型的从南向北的移民潮,因为空调的出现,第一次发生逆转。阳光带的各州接纳了从北方来的无数移民;热带的闷热和沙漠的酷热被人工制冷驯服。图森市人口在十年内从4万5千人上升到21万;休斯顿从60万上升到94万。开利的发明不但流动了空气,也流动了人口。

美国境内的人口流动仅仅是后来地域级和全球级人口流动的预演。在20世纪后期,新兴的超级都市基本都出现在热带地区:真奈,曼谷,马尼拉,雅加达,卡拉奇,拉各斯,迪拜,还有里约热内卢。人口统计学家预计,到2025年,热带大都市的人口将超过10亿。

  终章:重构世界

发明人工制冷的梦想家和发明家们并没有灵光一闪的瞬间,他们的发明也没有在一瞬间内改变世界。但是涂铎和伯兹艾创造的冰冻世界,带给人类的不仅仅是冷冻鱼排。人工制冷还帮助人类繁衍。急冻卵细胞,精细胞甚至胚胎的技术使数百万的人们拥有了下一代。

图:液氮速冻精细胞

参考资料:
[1] 煎蛋:人工制冷:一个关于人类改变世界的故事

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