寒冷的天气这周又回到了亚特兰大，所以让我们来谈谈热。如今，供热越来越流行的方式是使用热泵，即使在寒冷的气候条件下也是如此。但它们是如何工作的呢?

这个设备是如何从室外冷空气中吸收热量并将其放入建筑物内的呢?问人们冰箱或空调是如何工作的，他们认为自己懂。这些都是制造寒冷的设备。对吧?但当你从更大的角度考虑时，热泵的作用与冰箱和空调相同:它们将热量从较冷的区域转移到较温暖的区域。这是否意味着热泵也会“制造寒冷”?

跟着热走

从冷空气中获得热量确实是可能的，所以要了解热泵的运行，让我们从基础开始。热量流动当你有一个温差(ΓT)。如果你想从40华氏度的空气中获得热量，你需要做什么?把它放在温度低于40华氏度的东西上!这就是热泵中制冷剂的工作。

热量不会自然地从寒冷的室外空气传递到温暖的建筑物中。但是当你使用热泵做功时，我们可以让热量从一个较冷的地方转移到一个较热的地方。

热泵的工作原理与空调和冰箱完全相同。用物理学术语来说，这三种设备都是冰箱(或者更好的说法是冰箱发动机)。它们传递热量的方向似乎与热力学第二定律所规定的方向相反:从较冷的地方到较热的地方。但是回想一下第二定律的完整表述，如鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)所给出的:“热量从一个较冷的物体传递到一个较热的物体，如果没有其他与之相关的同时发生的变化，是永远不可能的。”

热泵中的制冷循环

在制冷循环中有四个基本过程。这些都很重要，但在我看来，膨胀阀才是奇迹发生的地方。无论你是将它用于冰箱、空调还是热泵，获得如此大的温差都是关键，这就是膨胀阀为你做的事情。

这里有一个你可能有经验的例子，特别是如果你是一个认真的自行车手。二氧化碳筒在高压下包含二氧化碳。例如，当你用它们给自行车管充气时，子弹会变得非常冷。试一试。它还适用于发胶等气雾剂罐和用于键盘除尘的压缩空气。这是热力学性质。当它们自由膨胀时，它们的温度就会下降。

同样的事情也发生在冰箱、空调或热泵中。制冷剂被推过膨胀阀，制冷剂的温度下降了很多。通过室外冷却器(蒸发器)的制冷剂通常比室外空气温度低10至20华氏度。

所以，当寒冷的室外空气在加热模式下与热泵的室外盘管接触时，它实际上是更温暖的物体。我们知道，热量喜欢从温度较高的物体转移到温度较低的物体。一旦我们把空气中的热量转化为制冷剂，就只需要把它带到房子里，然后转移到你家里的空气中。

热力学第二定律成立

现在谜底解开了。热力学第二定律又经受住了对其有效性的考验。热量确实从较冷的物体(室外空气)转移到较热的物体(室内空气)，但我们必须做出“其他一些改变”才能发生这种情况。这一变化包括对压缩机做功，迫使制冷剂通过膨胀阀。然后制冷剂冷却到足以吸收室外空气中的热量。压缩机不断做功，将现在加热和蒸发的制冷剂转移到室内，在那里它可以从冷凝线圈中释放热量。

热泵的运行可能会令人困惑。我的猜测是，我们对室外低温的个人经验蒙蔽了我们的双眼。当我们在冬天外出时，我们的身体比周围的环境要温暖得多，核心温度约为98.6华氏度。我们经历了冷却。我们总是被室外寒冷的空气冷却，所以很难想象同样的空气能加热其他任何东西。

现在你知道它们是如何工作的了。其实也没那么难，对吧?

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Allison A. Bailes III，博士是一个演讲者作者、建筑科学顾问、乔治亚州迪凯特能源先锋(Energy Vanguard)的创始人。他有物理学博士学位能源先锋博客．他还有一本关于建筑科学的书2022年夏天上映。你可以在推特上关注他@EnergyVanguard．除特别注明外，照片由作者提供。