中学化学课上的这个经典实验，我们想用它搞个大事情|刺激性气味|化学|固体|水溶液|溶质|烧杯|经典实验

从一个中学化学实验说起

不知大家是否还记得，初中化学老师做过这样一个经典实验：两个烧杯中加入等量的水，再插入温度计，然后分别倒入氢氧化钠和硝酸铵固体。用玻璃棒搅拌后会发现，氢氧化钠所在的烧杯内水温迅速上升，而放入硝酸铵的烧杯水温明显下降。如果有同学比较好奇，去用手背碰一碰烧杯外壁，还会发现放氢氧化钠的烧杯很烫手，而有硝酸铵的烧杯则手感冰凉。

NaOH、NH4NO3溶解热实验（图片来源：AI生成）

这就是经典的物质溶解热实验。实验原理在本质上是一场能量的博弈：溶质粒子要从有序的晶体结构中分离出来，就需要打破晶体内部粒子之间的强大吸引力（“拆家”），因此吸收热量；而分离出来的溶质粒子会被水分子团团围住，形成稳定的水合离子（“安家”），从而释放热量。如果“拆家”的吸热大于“安家”的放热，那么溶解过程就是吸热；反之则是整体放热。

这一原理应用于很多制热或制冷场景中。比如用于冰敷的医用冰袋，通常预先分隔存放固态制冷剂（如硝酸铵、氯化铵等盐类）和水。使用时用力挤压，内部的水袋破裂，水流出与固态制冷剂混合，溶解会吸收大量能量，导致整个袋子的温度在短时间内急剧下降，从而产生冰冷的触感。这种冰袋无需冷藏，“一捏即冰”，非常方便。

医用冰袋（图片来源：网络）

为什么我们不用溶解吸热来制冷？

那么，既然溶解制冷的原理如此简单，制冷的方式高效且环保，为什么我们家里的冰箱和空调并不采用这种方法呢？

原因其实很好理解：溶解吸热本质上是一种消耗性的单向过程，难以实现高效、可持续的循环制冷。对于冰箱或空调这类需要持续、稳定运行的设备，如果依靠溶解吸热来降温，就意味着需要源源不断地消耗大量溶质（如硝酸铵）。这不仅不经济，储存空间也完全不允许。

如果想重复利用溶质，让它溶解后“重置”以恢复制冷能力，通常需要加热蒸发水分后重新结晶。这个过程所消耗的能量，远高于其溶解时所吸收的冷量，从整体能效上看是非常不划算的。

如今，传统的制冷设备，无论是家用空调还是工业冷库，大多采用蒸汽压缩制冷的技术。它们通过特定的制冷剂（如氟利昂及其替代品）在气态和液态之间循环相变来带走热量。制冷剂在室内蒸发吸热，再到室外压缩液化放热，不断循环往复，从而实现降温。这个过程需要压缩机持续做功，就像搬家工人要不停地爬楼梯，既费力又产生额外的热量。

冰箱的基本工作原理示意图（图片来源：Fantastic Fridges）

然而，全球制冷业正面临着巨大的难题：虽然我们已经淘汰了破坏臭氧层的氟利昂，但目前广泛使用的替代品，如氢氟碳化物（HFCs），仍然具有极高的全球变暖潜能值（1千克气体在特定时间段内产生的累积辐射强度与1千克二氧化碳的比值）。每一次制冷剂的泄漏，都在悄悄地加速全球气候变暖。制冷设备更是名副其实的电力消耗大户，用电量已占全球总量的十分之一以上。那么，有没有可能从溶解吸热中获取灵感，找到一种高效、环保、零排放的新一代制冷技术，来取代或补充现有的蒸汽压缩系统呢？

科学家在另一种物理现象中找到了线索：某些固体材料在外界条件（如磁场、电场或压力）改变时，内部结构就会发生相变，伴随着吸热或放热，这种现象叫做“卡效应”（Caloric Effect），这些材料统称为固态相变材料。不同的外界条件，对应不同的卡效应：

磁卡效应：施加或撤去外加磁场，使磁性材料中磁矩有序化程度发生变化，产生热效应。
电卡效应：改变外界电场，介电材料的偶极子取向排列发生变化，产生热效应。
弹卡效应：施加或卸载单轴应力，诱导材料晶体结构发生变化，产生热效应。
压卡效应：施加或卸载等静压，改变材料的晶体结构及构型取向等结构自由度，产生热效应。

不同卡效应的制冷循环示意图（图片来源：参考文献[1]）

其中，压卡效应是材料科学家关注的重点之一：对某些材料施加压力时，材料内部的原子排列变得更加整齐有序，释放出热量；反过来，卸除压力时，原子排列又变得松散混乱，需要从外界吸收热量。压力的变化相对容易操作，而且压卡效应可选择的材料体系更多。那么，是否可能通过压卡效应来实现制冷循环呢？

然而，当前的压卡效应制冷在实际应用中仍有一定局限性：对于固体材料来说，无论是加压后固体自身产生的热量，还是卸压后固体从外界吸收热量，都必须用水或空气等流体介质来源源不断地搬运，才能实现为房间降温。显而易见，这种接力式的传热效率很低。科学家们陷入了两难：环保的固态材料不会流动，会流动的气体又不够环保。能不能找到一种“会流动的固态制冷材料”呢？

答案就藏在开头提到的化学实验中。

两种现象的奇妙结合：极压卡效应

中国科学院金属研究所的研究团队提出了一个大胆的假设：如果一种物质在溶解时吸热、析出时放热，而我们能通过压力来控制它的溶解和析出，那是不是就可以控制热量的吸收和释放？

传统上，溶解吸热这种方法难以主动控制溶质的分离，而压卡效应的热量又难以高效搬运。将溶解热效应和压卡效应结合，通过压力控制溶质的溶解和析出，实现吸热和放热，同时溶液具有流动性不需要额外的介质来传输热量，不就能解决两种方法的难题？

研究团队选取了硫氰酸铵（NH4SCN）作为溶质，水作为溶剂。实验发现，当对饱和的硫氰酸铵溶液进行绝热加压时，溶液会变得过饱和，原本刚好能溶解的硫氰酸铵无法全部溶解，多余的部分会从溶液中析出，重新形成晶体，这个过程会释放热量。而反过来，当卸除溶液所受压力时，析出的晶体又会重新溶解吸热，溶液温度下降，实现制冷。

这就是研究团队首次提出的“极压卡效应”——通过压力调控可溶性物质在溶液中的溶解和析出，产生巨大的热效应。这是一种全新的压卡效应，它利用的不是固体材料内部晶体结构的改变，而是物质在溶解和析出过程中晶格的破坏与重建。

三大优势：制冷技术的“三合一革命”

研究团队提出的极压卡制冷体系具备三大优势：

溶解极压卡制冷循环示意图（图片来源：参考文献[2]）

优势一：制冷能力强——比固态材料高一个数量级

固态相变材料用于制冷的潜热通常在几焦耳每克的量级，而硫氰酸铵水溶液体系的制冷量能达到60焦耳每克，足足高出一个数量级。

这种巨大差距来自于溶解过程独特的物理本质。当晶体溶解时，不仅粒子内部的有序度（振动、旋转等状态）发生了变化，更重要的是，原本被固定在晶格中动弹不得的粒子，突然获得了在整个溶液中自由穿梭的能力。这种从“零平动自由度”到“三维自由移动”的巨大转变，伴随着熵的剧烈增加，需要吸收大量的热量，因此制冷效果格外显著。

优势二：材料能流动——换热效率提升数倍

固态相变材料最大的痛点是无法流动，而硫氰酸铵水溶液体系则完全不同。溶液本身就是流体，产生热效应后可以在管道中流动，从而直接与散热端或制冷端接触，实现高效换热。这就避免了固态材料必须借助水或空气等中间介质进行接力传热的不足，效率自然大幅提升。

在热力学模型模拟计算中，这种直接换热的优势非常明显。由于溶液体系溶解过程引发的熵变巨大，其制冷性能可以采用以高效闻名的类卡诺循环进行模拟计算。当散热端与制冷端的温差（温跨）设定为8K时，其在热力学第二定律框架下的效率可达77%，远高于性能最优的固态相变材料。

优势三：绿色环保——真正的零排放制冷

环保也是这套体系的亮点之一。整个体系只用到两种物质：硫氰酸铵和水。

硫氰酸铵是一种常见的化学品，可以大规模生产，成本低廉，广泛应用于工业生产和实验研究。虽然它有一定刺激性，但不属于强毒性物质，在密闭系统中使用是安全的。更重要的是，它并不会像传统制冷剂那样加剧全球变暖。整个制冷循环是完全密闭的，不会产生任何排放，实现了真正意义上的零污染、零排放。

此外，溶液在析出和溶解过程中复杂的热力学、动力学行为，为进一步的优化研究提供了广阔的空间，使得系统具有高度的灵活性和可调控性。

这项技术能改变什么？

看到这里，你可能会问：这么好的技术，什么时候能用上？

坦率地说，从实验室的原理验证到真正的商业化应用，还有一段不短的路要走。但这项研究的意义，远远超出了一个具体产品。

从技术成熟度来看，这项研究目前还处于原理验证和性能优化阶段，要将它转化为实用产品，还需要解决几个工程问题：

驱动压力的降低：实际应用时体系的驱动压力很难达到几百兆帕，如何在维持制冷性能不受影响的情况下减小驱动压力，是一个极具挑战、亟需解决的问题。