@ 2016.01.14 , 09:00
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人工制冷 :一个关于人类改变世界的故事

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第一章:冰块的航行

在发达国家,缺乏制冷的生活难以想象。但其实制冷这个概念仅仅起源于200年前,起因是一大片冰。

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。

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。和其他北部的大家族一样,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。

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图1 工人在冰封的湖面采冰

17岁的那年,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,或者有些放肆的点子。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。

1805年的是十一月,涂铎派遣他的弟弟威廉到马提尼克(一个加勒比的法国外省)做先遣市场调查。与此同时,涂铎买了一艘名叫“挚爱号”的双桅帆船,并在新英格兰取冰开始准备长途航行。二月份的时候,涂铎从波士顿港口起航,载着80吨家乡的湖冰,开始了前往南部的航行。

“呵呵”是当时《波士顿日报》的标题。“一艘载着80吨冰的帆船刚刚开始了去马提尼克的航程。希望这次航行不是脚底踩冰块——滑到哪里是哪里。”

波士顿日报的态度不是没有根据,但是原因和大家猜测的不一样。尽管有延误和天气问题,大部分冰块在到达马提尼克时还是完整的。但是就在最后一步,涂铎发现还是出岔子了。那就是马提尼克的居民对于这一块块冰冻水完全没有兴趣。他们不知道这有什么用。

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图2 弗雷德里克·涂铎

民众对于冰块的漠然让威廉没有办法建立起稳定的客流。更糟糕的是,威廉甚至没有建立储藏冰块的冰窖。涂铎费了好大的功夫把冰块送到马提尼克,却眼睁睁看着冰块在烈日以极快的速度损失。这次贸易是个彻头彻尾的失败。

这悲惨的境遇在接下来的几年里反复出现,损失也一次次加大。涂铎的生意有着需求和储存上的问题,但是也不是一无是处。

当时,商船一般空仓从波士顿起航,驶往西印度群岛(加勒比),装载上贵重货物,再前往世界各地。所以涂铎总能找到低价的运载费用,因为空着也是空着。另外,冰块基本也是免费的,涂铎只需要支付取冰人员的人工费。

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图3 新英格兰冰船贸易发展

同时,新英格兰地区的经济发展催生了另一个几乎免费的商品——锯末。锯末一般是伐木场的副产品。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。

这就是涂铎生意头脑的体现了:他组合了三种几乎没有成本的东西,冰块,锯末和空仓,然后开发出了一项生财之道。但是之前马提尼克的惨败也提醒他,在热带做生意,冰窖也是必要的。涂铎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。

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图4 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,3分之2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须品。

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图5 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。

1878年,古斯塔夫·富兰克林·斯威夫特雇佣了一个工程师,为他设计一个先进的冷藏车。冰块放在大框里,置于肉上。在沿途的停靠点,工人们换上新鲜冰块的筐,不需要管下面的肉。

“就是这种简单的设计,改变了以往肉类无法流动的状况,使其从一种本地的生意真正成为了国际贸易。冷藏车和冷藏穿将会载着芝加哥牛肉走向世界。”——唐纳德·米勒,截取自《芝加哥的19世纪》

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图6 芝加哥牲口交易市场,1913年

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!

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图7 约翰·格里医生

其实盖里医生的点子,可以说是天时地利人和。千百年来,人工制冷被视为不可能。人类征服了农业,发展了城市,建立沟渠,发明印刷,等等。但是人工制冷一直是人类能力之外。但是不知怎么着,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。这巨大的突破是如何办到的?

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。人类累积当代的理论和理解,融汇成新的成就,但是如果当代的理解和理论本身就有局限,突破就难以达到,不论人类的智商有多高。这既是为何最聪明的一群人在17世纪没有发明冰箱。在当时,这并不是“触手可及”的范围。但是讨巧,1850年,理解人工制冷的所需理论,都一一被学者们所理解。

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图8 玻璃表面的冰花

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。

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图9 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。

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图10 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。

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图11 克拉伦斯·佰载Clarence Birdseye

因纽特人没有理解结晶和分子说,但是他们能一代代享受速冻食品带来的便利。

佰载想到了一个方案,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,佰载开发了整套鱼罐头的速冻系统,使用温度是零下40度。佰载发现,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。佰载的试验非常成功。1929年股市崩盘前夕,他的通用海货公司被Postum谷物公司购买,使他一跃成为百万富翁。

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图12 战后美国冰箱广告

纵然现在,食品本地化和定制化大潮中,速冻食品不如往日威风。但是在当时,速冻制品是保证美国人民汲取不同营养的唯一途径。速冻食品在空间和时间上丰富了食物系统。夏日里的农产品能在数月后享用;北大西洋的海鱼能运送至丹佛或者达拉斯;一月万物萧条时,能吃上速冻豌豆总比什么都吃不上好。

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图13 速冻蔬菜

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(同时祛湿)。

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图14 现今纽约公寓楼的窗式空调

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·开利尔之手。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。开利尔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。

初代目空调在1925年的国殇日接受到第一次大测试。开利尔在派拉蒙映画新影院“里沃利”里打开了他空调的原型机。他当时甚至说服了阿道夫·朱克(派拉蒙映画的传奇老大),告诉他投资中央冷却系统是一比回馈丰厚的投资。朱克自己也亲身莅临国殇日的开机典礼。

开利尔和他的助手们一开始遇到了一些技术故障,以至于放映厅里的观众不得不忍受一段时间的酷热。开利尔后来回忆到:酷热的夏天,拥挤的放映厅,我们的确花了一点点时间才把室温渐渐降下来。慢慢地,扇扇子的人少了,鼓掌的人多了。散场后,我们在大厅里见到了朱克,他只说了一句:“民之所爱”。

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图15 威利斯·开利尔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。但是开利尔敏锐觉察到,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。

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图16 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。开利尔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。

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图17 休斯顿宾馆广告(中央空调)

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。但是涂铎和佰载创造的冰冻世界,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。

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图18 液氮速冻精细胞

每当我们提到引领突破的发明是,我们经常注重其当下的作用而低估了其真正的能力。人工制冷出现时,我们以为这仅仅只能降温或者造冰,方便我们的生活。这的确是其目的之一,但不是人工制冷的全部能力。两个世纪以来,人类的改变翻天覆地: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。

本文译自 BBC,由译者 小鱼儿 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 29+1

  1. wjking512
    @2 years ago
    3037156

    我一直在好奇 古代夏天没有冰 只有极少数贵族才能偶尔用一下冰 那古代的啤酒造出来是什么样的. 比起冰更重要的应该是二氧化碳吧

    [10] XX [17] 回复 [0]
  2. 老蛋
    @2 years ago
    3037160

    传统的经典物理在实际应用上快走到尽头了,在新的理论支持出现以前,还需要积累。

    [14] XX [2] 回复 [0]
  3. 奥拉拉
    @2 years ago
    3037166

    真·冷新闻。

    [10] XX [0] 回复 [0]
  4. xtw136
    @2 years ago
    3037170

    制冷技术可说是最伟大发明之一了,

  5. xathii
    @2 years ago
    3037174

    中国唐末就出现了硝石制冰法,通过硝酸钙溶于水吸收大量热量的方式迅速制冷、

    [48] XX [1] 回复 [0]
  6. 纸包鸡
    @2 years ago
    3037183

    不错

  7. 3037185

    好文!

  8. 3037187

    @wjking512: 古代的啤酒没有气也没有冰,再早一点的话连啤酒花都没有

  9. 空桑
    @2 years ago
    3037188

    中国古代主要还是靠冰窖,整个中国一半以上地区冬天都会有冰冻,只要弄个地窖存起来就可以了
    文中需要制冰的地方主要是热带,常年无冰,所以需要运冰或者制冰

    [21] XX [1] 回复 [0]
  10. 流河旱树
    @2 years ago
    3037189

    @xathii: 百度了一下,无敌了,这东西晒干后还能重复使用。

  11. 不说再见
    @2 years ago
    3037190

    什么叫制冷的概念起源于200年前?在西方人看来欧美史=世界史?我记得咱们很早就有冬天取冰放入冰窖中,夏天开窖取冰的传统么?唐末就有贵族在屋内放置冰块降温的享受,在宋朝的时候,夏天卖的冰镇酸梅汤都已经进入寻常百姓家了好么?

    [9] XX [22] 回复 [0]
  12. Astraeaheaven
    @2 years ago
    3037199

    @不说再见: 此位仁兄的智商已经无法看懂“制冰”是制造冰的意思了

    [31] XX [4] 回复 [0]
  13. 这个可以有
    @2 years ago
    3037201

    @不说再见: 自然制冷普及,人工制冷出现,再普及。资本主义靠不断降低成本提高销量改善了大多数人的生活。

  14. 3037212

    @wjking512: 啤酒一定是用麦芽啤酒花酵母做出来的,汽是酵母生成。严格意义上,古代不存在啤酒这种东西。

  15. 不说再见
    @2 years ago
    3037223

    @Astraeaheaven: 到底谁智商有问题啊,现在的煎蛋,怎么什么阿猫阿狗的都能上了。

    [1] XX [27] 回复 [0]
  16. 幕后煮屎者
    @2 years ago
    3037233

    @不说再见: 文中制冷的概念是向常年无冰地区系统性商业化地运冰,中国的地窖虽然有储冰的传统,但是对现代冷冻业没任何贡献,没有传承关系。

    [13] XX [3] 回复 [0]
  17. lyhn2016
    @2 years ago
    3037235

    深度好文!欧美科技发展史就=世界科技发展史,科技的发展改变了现代史。。。你可以说什么唐朝的冰窖宋朝的火药。。。但是然并卵,别人的科技发展用来改变人类的进程,我们用来冰酸梅汤和过节放炮仗

    [20] XX [6] 回复 [0]
  18. 逗比
    @2 years ago
    3037239

    @lyhn2016: 那我们的地盘为什么那么大?就是因为冰酸梅汤和过节放炮仗?

    [3] XX [13] 回复 [0]
  19. 阴谋论者
    @2 years ago
    3037241

    是西方角度看世界,你不能否认,西方科技文明带给现代社会的进步和舒适,‘’那些事,我祖上都干过‘’太啊q了,当今之国人应奋起直追,博阅图强。

    [27] XX [2] 回复 [0]
  20. 阿了个乐
    @2 years ago
    3037251

    所以说,老外并没有发现硝石+水吸热造冰的方法咯?中国古代都是这么搞冰块的

  21. 老蛋
    @2 years ago
    3037295

    @iused: 错!啤酒花在啤酒中的作用仅仅是调味,并不是必须的。

  22. 煎鸡鸡蛋
    @2 years ago
    3037419

    读着这篇文章有种莫名的神圣感,感觉人类对技术的探索就是一部史诗。

  23. 令狐逃
    @2 years ago
    3037514

    好文。新加坡总理李显龙曾经将过一段话,大意就是:没有空调技术,就没有今天的新加坡。

  24. chenghu
    @2 years ago
    3037595

    好久没在煎蛋看到翻译水平这么高的文章了。

  25. 3037611

    Let it go~~!

  26. Kirisame
    @2 years ago
    3037636

    @令狐逃: 热带地区很难有发达国家,因为太热了就没法工作

  27. 猫猫
    @2 years ago
    3037975

    @不说再见: 储冰和制冷是一个概念么?

  28. 暴走
    @2 years ago
    3038317

    中国貌似要比国外储藏冰块早很多

  29. 3038386

    @lyhn2016: 你说这些都是近现代的发明,是随着他们大航海时代和殖民世界发展起来的,中国是最近五百年发展停滞了,储冰本身就是人工制冷的原始方式啊。
    鲁迅那套黑火药只是用来放炮仗的幼稚偏激的愤青言论,黑火药,怎么可能只用来放炮仗,宋朝之后,一直都有军事用途,无论明清都有神机营,都有火枪火炮,只是没有大规模推广而已,即使鸦片战争,八国联军侵华时,装备水平都不下对方,只是近代清朝太不济事,被打跨了,很多人心态从天朝上国,一下子掉到谷底,这种动辄妄自菲薄的心态怎么行?不必要阿Q,不要妄自尊大,更不要妄自菲薄,那都不是端正的心态,应该 发奋图强,开创美好的未来才对。

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