中科院物理所|什么？爱因斯坦还发明过不用插电的冰箱？
审核专家：朱广思
生物学硕士科普作家
大家都知道爱因斯坦是一名伟大的物理学家 ， 他突破性地提出了“光子”的概念 ， 解释光电效应并获得1921年的诺贝尔物理学奖 。
此外 ， 爱因斯坦还解释了布朗运动的本质、提出了新的固体比热容理论、创立了狭义相对论与广义相对论……
1905年 ， 爱因斯坦提出光量子假说、完整的狭义相对性原理 ， 因此这一年被称为“爱因斯坦奇迹年” 。
因为爱因斯坦等人的孜孜不倦 ， 20世纪的物理学得到飞速发展 。 然而 ， 鲜有人知道 ， 这样伟大的物理学家还发明过一种不用插电的冰箱！
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一次事故 ， 三项发明
故事发生在1926年的柏林 ， 爱因斯坦在报纸上看到因冰箱冷凝管破裂 ， 制冷剂二氧化硫、氯甲烷等气体泄漏 ， 致使一家人中毒身亡的事件 。 爱因斯坦开始思考是否可以制作一种无毒冰箱 ， 于是他去找列奥·西拉德（L.Szilard）商讨寻找可行的方法 。
列奥·西拉德这个名字你可能不熟悉 ， 但说起他参与发明的两样东西你一定不陌生——原子弹与核反应堆 。
西拉德是美籍匈牙利核物理学家 ， 他构想并讨论了维持核裂变中链式反应的原理 ， 提出了临界质量的概念 ， 曾参与曼哈顿计划（美国陆军部研制原子弹计划） ， 与恩利克·费米等人在芝加哥大学建立了人类第一台核反应堆“芝加哥一号堆”（ChicagoPile-1） 。
1958年 ， 西拉德获得“阿尔伯特·爱因斯坦奖”（AlbertEinsteinAward） ， 1959年获得“原子能和平利用奖”（AtomsforPeaceAward） ， 1961年被选为美国国家科学院院士 。
让我们回到故事中 ， 当时爱因斯坦和西拉德会面后 ， 仔细讨论了当时冰箱的工作原理：这类冰箱都是通过制冷剂蒸汽在冷凝器中液化放热后 ， 导入与冰室交换热量的蒸发器中 ， 蒸发吸收热量重新变为蒸汽 ， 如此循环工作实现制冷 。
制冷剂的沸点与压强有关 ， 压强越高 ， 沸点越高；压强越低 ， 沸点越低 。 只有控制好冷凝器与蒸发器中的压强 ， 才能让制冷剂在指定的温度下液化或蒸发 ， 达到循环放热、吸热的目的 。 
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爱因斯坦和西拉德
来源|ATOMICHERITAGEFOUNDATION
因此 ， 这种冰箱中最重要的结构就是用于减压的膨胀阀（节流器）和用于加压的压缩机 ， 而那一家的丧命便于压缩机有关 。
压缩机在给制冷剂加压时 ， 需要往复不停地做机械运动 。 爱因斯坦和西拉德认为 ， 这会导致密封部件的损耗和老化 ， 最终使有毒的制冷剂——二氧化硫、氯甲烷等气体泄漏 ， 毒害了报纸中提到的一家人 。 
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上世纪的冰箱
于是 ， 爱因斯坦和西拉德打算设计一款吸收式冰箱 ， 不需要运动部件的冰箱 ， 没有了部件之间机械运动带来的损耗 ， 制冷剂自然可以牢牢地被密封在内部 。
不同于普通的冰箱 ， 这款冰箱不需要通电 ， 仅通过液体和气体间气压的改变来降低温度 ， 从而达到制冷的目的 。 
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爱因斯坦与西拉德设计的吸收式冰箱原理图
来源|wikipedia
他们在生成蒸汽的步骤处进行改变：通过加热低沸点氨水的方式来替换机械运转 ， 提供高温高压的压缩机来产生制冷剂蒸汽 。
此外 ， 爱因斯坦和西拉德不再使用具有毒性的氯甲烷和二氧化硫 ， 而尝试用氨水、丁烷和水 ， 将氨气通入装有丁烷的长颈瓶 ， 吸收氨气的丁烷沸点会降低到室温以下发生沸腾 ， 丁烷沸腾的过程会吸收大量热量 ， 达到制冷的效果 。
随后 ， 沸腾产生的混合气体会通入水中 ， 来实现氨与丁烷的分离 ， 并让它们进入下一个制冷循环 。 
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爱因斯坦与西拉德设计的冰箱冷却系统专利图
来源|遇燕.爱因斯坦的冷却机[J].大科技·科学之谜,2013,(5):34-35.
不过 ， 这个设计成本过高 ， 考虑到商业化生产的成本和收益 ， 并没有投入大规模、工业化的生产 。
爱因斯坦也认为这个吸收式冰箱结构过于复杂 ， 还需要寻找结构更简单的制冷机 。
于是他们又提出了一套新的方案：扩散式冰箱 。 
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扩散式冰箱原理图
来源|AlefeldG.Einsteinasinventor[J].PhysicsToday,1980,33(5):9-13
扩散式冰箱的原理和装置都更加简单 ， 它以甲醇作为制冷剂 ， 利用自来水自身的水压让高速水流喷射到甲醇附近 ， 在甲醇液面上方形成一个低压区 ， 促进甲醇蒸发 ， 实现制冷 。
当然他们并没有在此止步 ， 爱因斯坦和西拉德随后提出了第三种冰箱的可能：电磁式冰箱（AEG式制） 。
他们将液态金属密封在不锈钢气缸中 ， 并在缸外加装能产生磁场的线圈 。
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