07罐中罐冰箱实验报告

罐中罐冰箱的研究

摘要

由尼日利亚物理学家穆罕默德发明的“沙漠冰箱”又称为“Zeer Refrigerator”或“罐中罐冰箱”，是一种利用蒸发吸热来实现保鲜食物的简易冷却装置。针对这个原理，本文理论解释了蒸发吸热原理并分析了影响蒸发快慢的因素：温度、湿度、液体的表面积、液体表面上的空气流动等；实验上自主设计成功制作了一个简易的“罐中罐冰箱”冷却系统，研究了不同环境下冷却效果，得出干燥、通风环境下的冷却效果较好，并研究不同开口面积的内罐的不同冷却效果，总结出内罐开口面积相对较大时，降温效果较好。本文的研究主要集中在制冷效果的研究验证上，实践证明“罐中罐冰箱”的可能性，为在日常需要时制作简易冷却装置提供理论和实践支持。

关键词：罐中罐冰箱、沙漠冰箱、蒸发吸热、冷却效果。

一、问题重述

The “pot-in-pot refrigerator” is a device that keeps food cool using the principle of evaporative cooling. It consists of a pot placed inside a bigger pot with the space between them filled with a wet porous material, e.g. sand. How might one achieve the best cooling effect?

“罐中罐冰箱”是一个利用蒸发吸热原理保持食物凉爽的装置，一个罐放在另一个更大的罐中，它们之间的空隙填满潮湿多孔渗水的物质（如沙子）。研究这样的装置怎样获得最好的制冷效果。

二、研究背景

“罐中罐冰箱”起源于非洲的“沙漠冰箱”,当地民众由于缺少电力，因此发明了这种简易装置来保鲜食物。它由内罐和外罐组成，两罐之问填满潮湿的沙子。使用时将食物放在内罐，罐口盖上湿布，放在干燥、通风的地方，并经常向内罐和外罐之间的沙子上洒些水，这样对内罐中的食物可以起到一定的保鲜作用。如图1、2所示。

图1、2 “沙漠冰箱”图

三、理论分析

3.1蒸发吸热的原理

在大气物理学中，宏观上的蒸发是指物质从液态转化为气态的相变过程。而从微观上看，蒸发就是液体分子从液面离去的过程。由于液体中的分子都在不停地作无规则运动，它们的平均动能的大小是跟液体本身的温度有关。由于分子的无规则运动和相互碰撞，在任何时刻总有一些分子具有的动能比平均动能大。这些具有足够大动能的分子，若处于液体表面，其动能大于飞出时克服液体内分子间的引力所需的功时，就能脱离液面而向外飞出，变成一种液体的汽，这就是蒸发现象。飞出去的分子在和其他分子碰撞后，有可能再回到液面上或进入液体内部。如果飞出的分子多于飞回的，宏观上液体就进行着由液态向气态转化的蒸发过程。

在蒸发过程中，液体蒸发不仅吸热，还有使周围物体冷却的作用。当液体蒸发时，从液体里跑出来的分子，要克服液体表面层的分子对它们的引力而做功。这些分子能做功，是因为它们具有足够大的动能。比平均动能大的分子飞出液面，即速度大的分子飞出去，而留存液体内部的分子所具有的平均动能变小。所以在蒸发过程中，如外界不给液体补充能量，液体的温度就会下降。这时，它就要通过热传递方式从周围物体中吸收热量，于是使周围的物体冷却。从而在“罐中罐冰箱”的冷却系统中，二罐空隙间的沙子中所含的水分朝向外罐的表面蒸发，而靠着外罐表面的干燥空气来循环。由于蒸发吸热原理，水分的蒸发就把周围沙子的热量带走，通过沙子和内壁的热传递，从而使内罐得以冷却，进而使有害的微生物被摧毁或不易生存，因此内罐就能保鲜食物。

3.2影响蒸发速率的因素

影响蒸发快慢的因素有温度、湿度、液体的表面积、液体表面上的空气流动等。

（1）温度。通常温度越高，蒸发越快。因为在任何温度下，分子都在不断地运动，液体中总有一些速度较大的分子能够飞出液体表面脱离束缚而成为汽分子，所以液体在任何温度下通常都能蒸发。液体的温度升高，分子的平均动能增大，速度增大，从

液面飞出去的分子数量就会增多，所以液体的温度越高，蒸发得就越快。

（2）湿度。通常液体表层上方的空气湿度越低，蒸发的速率越快。由于蒸发是指水分子由液体表面逸出而成汽分子的过程，如果蒸发过程中，逃逸的分子数比被撞回液体表面的分子数多的越多，蒸发的也就越快。所以表层上方空气湿度越低，逃逸的分子被撞回的概率也就越小，即更容易“逃逸”成为汽分子，从而蒸发的速率也就越快。

（3）液面表面积大小。如果液体表面面积增大，处于液体表面附近的分子数目增加，因而在相同的时间里，从液面飞出的分子数量就增多，所以液面面积越大，蒸发速率越快。

（4）液体表面上方空气流动的速度。当飞入空气里的汽分子和空气分子或其他汽分子发生碰撞时，有可能被碰回到液体中来。如果液面上方空气流动速度快，通风好，分子重新返回液体的机会越小，蒸发就越快。

3.3理论与实践分析

沙子和水并非热的良导体，所以内罐里面的食物的温度不会随外界的温度的变化而变化太多。沙子又是多孔渗水的物质，广义上增加了蒸发面的表面积，更有利于蒸发。加之沙子的比热容小，容易升温，水比热大，升高单位温度吸收的热量更多，水这

样就能缓慢地蒸发吸收热量，从而形成一个隔热层，既保证了外部温度升高不会较大影响内部温度，又蒸发吸热使内罐温度降低，因此能起到保温食物的作用。

（1）经常向沙子上洒水，保证了水分的持续蒸发，得以持续降温以对食物起到保鲜的作用。

（2）铺上湿毛巾，一是更好地阻隔了内外罐与外界的热量交换，二是增加了表面的蒸发量。

（3）干燥、通风处，既提高了液体的温度，又减小了空气的湿度。干燥指温度较高，加大蒸发量；通风加快了液体周围空气的流动，减少了汽分子间的碰撞，降低了汽分子被撞回液面的概率。这些措施都是为了加快水分的蒸发，以更好更快地达到降温效果。

四、参考实验

在古老的技术基础的支持下，尼日利亚物理教师发明了“罐中罐冰箱”较好地解决了贫困地区的食物存储问题。通常的制作过程如下。

步骤1：准备两个陶罐。一个大罐和一个小罐，并能保证大罐能套住小罐，且中间的间隙不小于1厘米，不大于5厘米。如图3所示。