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07罐中罐冰箱实验报告材料
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“ZeerRefrigerator”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罐的不同冷却效果，总结出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-potrefrigerator”isadevicethatkeepsfoodcoolusingtheprincipleofevaporativecooling.Itconsistsofapotplacedinsideabiggerpotwiththespacebetweenthemfilledwithawetporousmaterial,e.g.sand.Howmightoneachievethebestcoolingeffect?
“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。
使用时将食物放在罐，罐口盖上湿布，放在干燥、通风的地方，并经常向罐和外罐之间的沙子上洒些水，这样对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，通过沙子和壁的热传递，从而使罐得以冷却，进而使有害的微生物被摧毁或不易生存，因此罐就能保鲜食物。
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部温度，又蒸发吸热使罐温度降低，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。
图3准备大小罐
步骤2：
给两个罐进行密封性检查和封口。
用泥或者其他粘合剂把大小罐上的孔堵住，防止水分从外罐流出或流入罐，从而影响冷却效果。
如图4所示。
图4检查密封性
步骤3：
给大罐的底部填上细沙。
厚底大约2.5厘米，并能基本保证填上沙子后小罐的高度仍包含在大罐中。
如图5所示。
图5大罐底部铺沙
步骤4：
把小罐放入大罐中，保证中轴线尽量重合，使四周留有的空隙尽量相等。
如图6所示。
图6大罐套小罐
步骤5：
在两罐空隙间填满细沙。
在接近边缘顶部时，留有约2厘米的空余，避免沙子不慎流入小罐污染食物。
如图7所示。
图7空隙加入沙子
步骤6：
在空隙的沙子中注入水。
必须使水饱和，注意速度不能太快，给水完全浸满沙子留有充足时间。
如图8所示。
图8沙中注水
步骤7：
使用一块湿毛巾，将其浸湿，覆盖在小罐上，确保能将小罐完全覆盖。
如图9所示。
图9覆盖隔热布
步骤8：
自行冷却。
将“罐中罐”冷却系统放置在干燥、通风的空间中，以加快水分的蒸发。
并将温度计放置在罐中，定期测出罐的温度。
如图10所示。
图10放入温度计测温
步骤9：
将需要的保鲜食物和饮品放入冷却的“冰箱”中，按时给沙子中注入水分，保证持续蒸发。
需要时再把保鲜的食物取出食用。
如图11所示。
图11放入食物，洒水测温
五、演示实验
5.1实验目的
（1）自制“罐中罐冰箱”冷却系统；
（2）研究影响冷却效果的因素，找出保持最好冷却效果的存储方式；
（3）研究罐不同开口面积的不同保鲜效果。
5.2实验装置和器材
实验装置和器材，如图12所示：
图12部分实验装置图
大罐1个（用盆代替），小罐2个（开口面积不同的花盆）；
沙子若干，铲子1把；
温度计2个；
吸水布1条；
水盆1个（装满水），水杯1只；
几类水果若干。
5.3实验过程
a.在大罐底部平铺填入2.5厘米厚的沙子；
b.将小罐置于大罐中，在空隙中撒入充足沙子，顶部留有2厘米余量；如图13所示。
图13空隙填沙
c.在沙中注入充足的水，使沙子水饱和；
d.在罐中放入不同种类的水果，同时将温度计放置在罐中，并将浸湿的纱布覆盖在小罐上；如图14所示。
图14放入食物
e.定时给沙子加水润湿，每天固定时间测出罐中的温度；
f.将“罐中罐”系统放置在几种不同环境中，固定时间测出各自冷却效果；如图15所示。
图15干燥、通风处降温
g.将不同现象进行对比，总结出最佳冷却效果，得出实验结论。
5.4实验结果及分析
5.4.1实验现象及数据表：
（1）潮湿、封闭处。
如表1所示。
时间
口径较小盆
口径较大盆
起始21:
45
温度19℃
温度19℃
次日07:
45
18.6℃
18.4℃
次日13:
45
18.3℃
18.0℃、温度计和水果表面有少许水珠。
次日21:
45
18.0℃、温度计和水果表面有少许水珠。
17.7℃、温度计和水果表面水珠稍大、感觉壁凉爽。
第三日07:
45
17.7℃、温度计和水果表面水珠稍大、感觉壁凉爽。
17.4℃、温度计和水果表面水珠稍大、感觉壁凉爽。
······
······
······
第五天
约稳定在16.5℃
约稳定在16.0℃
表1潮湿、封闭处实验数据表
（2）干燥、通风处。
如表2所示。
时间
口径较小盆
口径较大盆
起始21:
45
温度20℃
温度20℃
次日07:
45
19.4℃
19.2℃
次日13:
45
19.0℃
18.8℃、温度计和水果表面有少许水珠。
次日21:
45
18.7℃、温度计和水果表面有少许水珠。
18.5℃、温度计和水果表面水珠稍大、感觉壁凉爽。
第三日07:
45
18.3℃、温度计和水果表面水珠稍大、感觉壁凉爽。
18.0℃、温度计和水果表面水珠稍大、感觉壁凉爽。
······
······
······
第五天
约稳定在16.0℃
约稳定在15.5℃
表2干燥、通风处实验数据表
5.4.2实验结论：
（1）实验验证了自制“罐中罐冰箱”装置的制冷功能；
（2）不同开口面积的对比实验得出开口较大的罐的制冷效果较好；
（3）表1、2不同外部环境对比实验得出在干燥、通风环境中的冷却效果较潮湿、封闭处较好。
六、总结归纳
本文理论上从宏观和微观角度阐述了蒸发吸热原理，讨论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。
并解释了“罐中罐冰箱”的工作机理和用透气、多孔的沙子，经常加水与覆盖湿毛巾等操作的的作用。
为自制“罐中罐冰箱”冷却系统提供了理论基础。
本文还从实践角度自制了一个“罐中罐冰箱”冷却系统，验证了蒸发吸热理论的真实性；通过对比实验，找到了适当增大罐开口面积，置于干燥、通风处等措施来增强冷却效果。
但本文还是存在一些不足：
蒸发吸热原理研究不够深刻，且与“罐中罐冰箱”的实践结合不够自然；实验找出影响冷却效果的因素有些单一，无关因素控制的不是很到位；在早中晚三个时刻各测一次温度，忽略了一天温差的影响，即把吸水布的隔热效果过于理想化；还可以研究不同食物的保鲜时间等。
这些方面是接下来的研究重点和新方向，将有待于改进。
七、参考文献
[1]Wikipedia:
Pot-in-Potrefrigerator,en.wilipedia.org/wiki/Pot-in-potrefrigerator
[2]HowtoMakeaPot-in-PotRefrigerator.EditedbyFlickety,Krystle,LillianMay
[3]Wikipedia:
Evaporative
cooler,en.wilipedia.org/wiki/Evaporativecooler
[4]XX百科关键字：
沙漠冰箱、罐中罐冰箱、蒸发吸热等。
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