空調(diào)為啥必須要有外機(jī)？熱浪給出了最殘酷的答案

當(dāng)魔幻現(xiàn)實(shí)主義照進(jìn)現(xiàn)實(shí)：在我們習(xí)以為常地在26℃空調(diào)房里吃西瓜時(shí)，歐洲的多數(shù)家庭正頂著40+℃的高溫硬扛， 高溫天氣致多國(guó)記錄到超4000例超額死亡。

圖源：央視新聞客戶端[1]

2026 年入夏以來(lái)，歐洲多國(guó)氣溫接連突破歷史極值，法國(guó)局部最高沖到 44.3℃，但全歐洲家庭空調(diào)普及率僅約 20%—— 德國(guó)固定式空調(diào)不足6%，英國(guó)不到5%，北歐國(guó)家更是普遍低于10%。

今年6月，法國(guó)一家藥店的告示牌顯示氣溫為41℃[2]。

這并非歐洲人天生耐熱。一方面是歷史建筑保護(hù)法規(guī)嚴(yán)苛，外墻打孔裝外機(jī)動(dòng)輒面臨上千歐元罰款，安裝成本與審批門檻極高；另一方面環(huán)保觀念深入人心，家用空調(diào)的高碳排放長(zhǎng)期飽受爭(zhēng)議，裝空調(diào)始終不是主流選擇。

圖源網(wǎng)絡(luò)

于是一種號(hào)稱“無(wú)外機(jī)、免安裝、插電就涼”的移動(dòng)空調(diào)在歐洲徹底賣斷貨。

無(wú)外機(jī)空調(diào)將排氣管道伸到室外。圖源AI

它不用在墻上打洞，不用師傅上門，往窗邊一放就能用，完美踩中了歐洲人裝空調(diào)的全部痛點(diǎn)。但買回家的人很快吵成了兩派：有人說(shuō)它救了半條命；有人罵它是智商稅——電費(fèi)漲了一倍房間還不夠涼。

圖源AI

那問(wèn)題來(lái)了：空調(diào)為啥非得有個(gè)外機(jī)？把內(nèi)外機(jī)合二為一的“無(wú)外機(jī)空調(diào)”，到底是黑科技還是物理騙局？

要搞懂外機(jī)的意義，得先明白空調(diào)到底是什么。它從來(lái)不“制造”冷，而是熱量的搬運(yùn)工。

想象一下，你要把房間里的“熱量垃圾”清出去，就得有搬運(yùn)工、有貨車、還有室外的垃圾場(chǎng)。制冷劑就是那個(gè)搬運(yùn)工，它有個(gè)神奇的本事：低壓低溫時(shí)容易蒸發(fā)吸熱，高壓高溫時(shí)容易液化放熱。一套完整的壓縮制冷循環(huán)，剛好對(duì)應(yīng)搬家的四個(gè)步驟：

空調(diào)制冷原理示意圖

1. 裝貨（蒸發(fā)吸熱）

   低溫低壓的液態(tài)制冷劑進(jìn)入室內(nèi)的蒸發(fā)器，吸收房間里的熱量，自己蒸發(fā)成氣體，房間就涼了；

2. 運(yùn)輸（壓縮升壓）

   壓縮機(jī)像貨車發(fā)動(dòng)機(jī)，把吸了熱的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的“熱包裹”；

3. 卸貨（冷凝放熱）

   高溫的制冷劑流到室外的冷凝器，把身上的熱量全部散到室外空氣中，自己重新液化成液體；

4. 下坡（節(jié)流降壓）

   節(jié)流閥像個(gè)窄窄的下坡路，高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)后壓力驟降，溫度也跟著降下來(lái)，重新回到室內(nèi)裝貨。

所以外機(jī)的核心使命，其實(shí)就是給熱量找一個(gè)“室外垃圾站”——大氣。所有從房間里搬出來(lái)的熱量，最終都必須通過(guò)外機(jī)的風(fēng)扇吹到外界空氣里，這是熱力學(xué)第一定律的規(guī)則：能量不會(huì)憑空消失，熱量只能從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方。

而所謂的“無(wú)外機(jī)移動(dòng)空調(diào)”，本質(zhì)上是把蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器全塞進(jìn)了同一個(gè)機(jī)箱里，相當(dāng)于把卸貨區(qū)也搬進(jìn)了房間。如果不做處理，冷凝器散出的熱風(fēng)會(huì)直接留在室內(nèi)，等于一邊搬熱一邊漏熱，再加上電能轉(zhuǎn)化為熱能，房間只會(huì)越吹越熱。所以它必須拖一根粗粗的排風(fēng)管伸到窗外，把冷凝器產(chǎn)生的熱風(fēng)強(qiáng)行抽出去——它不是真的“沒有外機(jī)”，只是把外機(jī)做成了內(nèi)置，再用一根管子完成“扔熱量”的動(dòng)作。

這種設(shè)計(jì)天生帶著三個(gè)繞不開的缺陷：

• 效率砍半

  普通分體式空調(diào)的能效比（EER）能達(dá)到3.5-5.0，而移動(dòng)空調(diào)通常只有2.0-2.5，相當(dāng)于搬同樣多的熱量，要多花近一倍電費(fèi)。更麻煩的是，排風(fēng)會(huì)讓房間形成負(fù)壓，室外的熱空氣會(huì)順著門縫窗縫往里鉆，進(jìn)一步抵消制冷效果；

• 噪音貼身

  壓縮機(jī)是空調(diào)的噪音源頭，分體機(jī)把它放在室外，關(guān)窗就幾乎聽不見；移動(dòng)空調(diào)把壓縮機(jī)放在你腳邊，運(yùn)行時(shí)噪音普遍在50分貝以上，像在房間里放了臺(tái)持續(xù)工作的洗衣機(jī)；

• 并不自由

  它必須貼著窗戶接排風(fēng)管，管子長(zhǎng)度有限，還得給窗戶留縫密封，根本沒法隨便挪去另一個(gè)房間用。

說(shuō)白了，無(wú)外機(jī)空調(diào)是建筑限制下的妥協(xié)方案，它從來(lái)沒有跳出熱力學(xué)的基本規(guī)則——只要你想讓房間變涼，就總得給熱量找一個(gè)出口。

房間里的熱量可以排給大氣，那如果連大氣都沒有呢？

如果把你放進(jìn)一個(gè)真空的密閉空間里（好心發(fā)你一套宇航服），四周沒有空氣可以承接熱量，你該怎么給自己降溫呢？

又如果我們要制造零下兩百多度的極寒，甚至逼近零下273.15℃的絕對(duì)零度，連空氣都早已凍成了固體，又該把熱量扔去哪里呢？

日常空調(diào)的邏輯，是“把熱量從低溫處搬到高溫的外界”。但當(dāng)我們要挑戰(zhàn)的溫度越來(lái)越低，低到?jīng)]有現(xiàn)成的“更熱的外界”可以承接熱量時(shí)，人類的制冷技術(shù)就從“工程技巧”走進(jìn)了“物理底層”。

現(xiàn)在，我邀請(qǐng)你和我一起，從空調(diào)外機(jī)吹出的熱風(fēng)出發(fā)，一步步走向低溫物理的腹地，去看看人類如何用氣體、用原子、用量子效應(yīng)，制造出比宇宙深空更冷的極端低溫。

制造低溫最樸素的辦法，是利用液體蒸發(fā)吸熱。皮膚上擦酒精會(huì)覺得涼，就是酒精蒸發(fā)帶走了熱量。水的沸點(diǎn)是100℃，零度以下就結(jié)冰了，沒法再靠蒸發(fā)降溫。要得到更低的溫度，就得找沸點(diǎn)更低的液體——比如液氮沸點(diǎn)-196℃（77K），液氦沸點(diǎn)-268.9℃（4.2K）。

但這些物質(zhì)在常溫下都是氣體，想讓它們變成液體，就得把溫度降到沸點(diǎn)以下。這是一場(chǎng)漫長(zhǎng)的“降溫長(zhǎng)征”，人類用了將近五十年，才把空氣、氮?dú)狻錃狻⒑庵鹨灰夯?/strong>。

空氣組分液化發(fā)展史。圖源AI

核心的降溫武器有兩個(gè)：

想象一下你對(duì)著手心快速吹氣，會(huì)覺得涼颼颼 —— 從口腔高壓環(huán)境沖出來(lái)的氣體，到了常壓下體積迅速膨脹，推著外界空氣 “干活”，自身的內(nèi)能減少，溫度就降了下來(lái)——這就是絕熱膨脹降溫：氣體在絕熱條件下對(duì)外做功，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，溫度下降。這是效率最高的降溫方式之一，工業(yè)上的渦輪膨脹機(jī)就是靠這個(gè)原理制冷。

焦耳-湯姆孫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖[3]

另一個(gè)是焦耳-湯姆孫效應(yīng)：讓高壓氣體擠過(guò)一個(gè)細(xì)小的節(jié)流裝置（如多孔塞、針型閥或毛細(xì)管）時(shí)，壓力驟降，體積膨脹，溫度也會(huì)變化。你可以把氣體分子想象成互相拉著的小球，平時(shí)分子間有微弱的吸引力；當(dāng)體積突然變大，分子距離拉開，吸引力會(huì)把分子往回拽，分子的動(dòng)能被消耗，溫度也就降了。

不過(guò)這個(gè)效應(yīng)不是對(duì)所有氣體都生效。常溫下空氣、氮?dú)狻⒀鯕夤?jié)流后會(huì)降溫，但氫氣、氦氣這類小分子氣體，常溫下分子間斥力占了上風(fēng)，節(jié)流后反而會(huì)升溫。必須先把它們預(yù)冷到“轉(zhuǎn)換溫度”以下，再節(jié)流才能獲得降溫效果——氦的轉(zhuǎn)換溫度低至-233℃，想液化氦氣，得先用液氮、液氫一層層預(yù)冷，降到足夠低的溫度后，再通過(guò)節(jié)流膨脹才能最終液化。

1895年，德國(guó)人林德用“壓縮-預(yù)冷-節(jié)流”的循環(huán)造出了第一臺(tái)空氣液化機(jī)：先把空氣壓縮，用水帶走壓縮釋放的熱；再讓一部分冷空氣膨脹降溫，反過(guò)來(lái)冷卻另一部分高壓空氣；循環(huán)往復(fù)，溫度越來(lái)越低，最終空氣變成了液體。這套被稱為“林德循環(huán)”的技術(shù)，讓人類第一次批量獲得了液態(tài)空氣，也開啟了低溫工程的時(shí)代。

從空氣到液氮，再到液氫、液氦，人類靠著一次次膨脹、一次次節(jié)流，一步步把溫度壓到了4.2K（-268.95℃）——這是常壓下液氦的沸點(diǎn)。再往下呢？靠抽真空降低液氦的蒸氣壓，最多能降到1K左右，再抽就幾乎沒有氣體可抽了。

想要突破1K的壁壘，光靠經(jīng)典的氣體膨脹已經(jīng)不夠了。人類必須拿起量子世界的武器。

絕對(duì)零度是熱力學(xué)的下限，0K等于-273.15℃，意味著原子的熱運(yùn)動(dòng)幾乎完全停止。宇宙深空的溫度是2.725K，也就是比絕對(duì)零度高不到3度，這是宇宙大爆炸留下的余溫。但人類在實(shí)驗(yàn)室里造出的低溫，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)冷過(guò)了宇宙空間。

第一個(gè)突破1K極限的利器，是稀釋制冷機(jī)，它也是今天超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的“標(biāo)配冰箱”。

它用到了氦的兩種同位素：氦-4和氦-3。你可能不知道，這兩種長(zhǎng)得幾乎一樣的氦原子，在極低溫下會(huì)像油和水一樣分層。當(dāng)溫度降到0.87K以下時(shí)，氦-3和氦-4的混合液會(huì)自動(dòng)分成兩層：上層是幾乎純凈的氦-3濃相，下層是溶了少量氦-3的氦-4稀相。

這個(gè)現(xiàn)象有個(gè)奇妙的性質(zhì)：如果把下層稀相里的氦-3原子抽走，上層濃相里的氦-3就會(huì)不斷穿過(guò)界面，“溶解”到下層稀相中去補(bǔ)充。而氦-3從濃相進(jìn)入稀相的過(guò)程，需要吸收大量的熱——就像水蒸發(fā)成水蒸氣要吸熱一樣，這就是稀釋制冷的核心原理。

稀釋制冷示意圖[4]

你可以把濃相的氦-3想象成液態(tài)水，稀相像空氣；抽走稀相里的氦-3，就像用風(fēng)扇吹走水蒸氣，讓水持續(xù)蒸發(fā)吸熱。只不過(guò)這里的“蒸發(fā)”不是液態(tài)變氣態(tài)，而是從濃相“溶解”進(jìn)稀相，是一種量子層面的相變。

稀釋制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖[5]

現(xiàn)代商用稀釋制冷機(jī)可以穩(wěn)定維持10mK以下的溫度，也就是0.01開爾文，比絕對(duì)零度僅高0.01度，比宇宙背景溫度冷了兩百七十多倍。那些長(zhǎng)得像金色吊燈的量子計(jì)算機(jī)，最核心的量子芯片就懸掛在稀釋制冷機(jī)的最底部：從室溫300K開始，經(jīng)過(guò)一層層冷板逐級(jí)降溫，最終落到毫開級(jí)的混合腔里。只有在這樣的極低溫下，超導(dǎo)量子比特才不會(huì)被熱運(yùn)動(dòng)打亂狀態(tài)，才能穩(wěn)定地進(jìn)行量子計(jì)算。

如果說(shuō)稀釋制冷是“量子版蒸發(fā)降溫”，那絕熱去磁制冷就是一場(chǎng)“秩序與混亂的游戲”。

想象一個(gè)擠滿了人的大廳，大家隨意站著，亂糟糟的，這叫“熵很高”；突然有人下令“全部面向北站齊”，所有人立刻排成整齊的隊(duì)列，混亂度瞬間降低，也就是“熵減小”。從混亂到有序，多余的能量會(huì)以熱量的形式釋放出來(lái)；如果這時(shí)把大廳和外界完全隔熱，再下令“解散”，大家重新亂起來(lái)，熵要增加，就必須從周圍吸收熱量，大廳的溫度就會(huì)下降。順磁鹽里的原子磁矩，就是這些聽話的小人。

絕熱去磁制冷原理示意圖[6]

第一步，給順磁鹽加上強(qiáng)磁場(chǎng)，原子磁矩會(huì)順著磁場(chǎng)方向整齊排列，熵減小，放出熱量，用液氦帶走這些熱量，保持溫度不變；
第二步，把順磁鹽和外界徹底隔熱，也就是絕熱狀態(tài)，然后慢慢撤掉磁場(chǎng)；失去磁場(chǎng)約束后，磁矩會(huì)重新變得混亂無(wú)序，熵要增加，只能吸收自身熱量，于是溫度急劇下降。

1933年，科學(xué)家第一次用這個(gè)方法，從3.4K直接降到了0.53K，首次突破了液氦蒸發(fā)降溫的極限。后來(lái)人們又把這個(gè)思路用到原子核上，發(fā)展出核絕熱去磁技術(shù)，能將溫度降到納開（10??K）級(jí)別——也就是十億分之一開爾文，這是人類目前能達(dá)到的最低溫度。

如今，絕熱去磁制冷不僅用在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)室，還走進(jìn)了太空。紅外望遠(yuǎn)鏡、X射線探測(cè)器必須在極低溫下工作，否則自身的熱輻射會(huì)蓋過(guò)來(lái)自深空的微弱信號(hào)；而太空里沒有大氣對(duì)流散熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有液體晃動(dòng)的絕熱去磁制冷，就成了空間探測(cè)的絕佳選擇。

1902年，威利斯·開利發(fā)明現(xiàn)代空調(diào)，初衷僅僅是為了解決紐約布魯克林一家印刷廠的濕度問(wèn)題，給機(jī)器和人換來(lái)一縷可控的涼風(fēng)。我們想盡辦法把房間里的熱量扔到室外，讓城市建筑的外墻上掛滿嗡鳴的外機(jī)。在享受個(gè)體舒適的同時(shí)，我們也無(wú)意間將整座城市變成了一個(gè)巨大的“散熱場(chǎng)”。

但我們并未止步于這種粗放的熱交換。

當(dāng)“降溫”不再只是為了避暑，而是為了探尋物質(zhì)的邊界，我們便不再滿足于“比室溫低幾度”。我們開始液化空氣、液化氦氣，向著-269℃的極寒深淵挺進(jìn)；當(dāng)經(jīng)典的氣體膨脹制冷觸及極限，我們撬開了量子世界的大門——利用氦-3與氦-4的相分離效應(yīng)，利用原子核自旋的絕熱去磁，在毫開（mK）甚至微開（μK）的量級(jí)上，步步緊逼絕對(duì)零度。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里制造出了比浩瀚星際更冷的空間。那微型制冷機(jī)腔體中的一點(diǎn)幽藍(lán)，其溫度低于宇宙微波背景輻射，冷過(guò)了銀河系中99%的寂寥虛空。我們窮盡心力制造寒冷，并非為了取暖，而是為了捕捉物質(zhì)最隱秘的真相：超導(dǎo)為何能在零電阻下永動(dòng)？量子比特如何在疊加態(tài)中編織未來(lái)？宇宙大爆炸后的第一秒，夸克-膠子等離子體究竟如何涌動(dòng)......

從調(diào)節(jié)濕度的活塞壓縮機(jī)，到逼近絕對(duì)零度的稀釋制冷機(jī)，人類操控?zé)崃康募妓囉l(fā)精妙，探索的疆域也從宏觀世界直抵量子之海。熱力學(xué)第二定律從未妥協(xié)——熱量無(wú)法自發(fā)從低溫流向高溫。但人類的好奇心，卻在這冰冷無(wú)情的法則中，硬生生鑿出了一條浪漫的遠(yuǎn)征之路：

我們不僅要讓文明在酷暑中得以存續(xù)，更要在極寒中，看清宇宙為何是今天的模樣。

參考文獻(xiàn)

[1]https://ysxw.cctv.cn/article.html?toc_style_id=feeds_default&item_id=33165091217707142&channelId=1119

[2]https://news.cctv.com/2026/06/29/ARTITemS7t96gHMQM3R8MA2X260629.shtml

[3]程陽(yáng).氣體靜壓節(jié)流器微流場(chǎng)焦耳—湯姆遜效應(yīng)的研究[D].中國(guó)計(jì)量學(xué)院,2015.

[4]閻守勝. 稀釋制冷——一種獲得極低溫度的新方法[J]. 物理, 1975, 4(2).

[5]

[6]林熙. 核絕熱去磁制冷[J]. 物理, 2023, 52(8): 561-569. DOI: 10.7693/wl20230805

編輯：二分

文章轉(zhuǎn)載自“中科院物理所”公眾號(hào)