【科普文分享】是非物理 —世上真的有窮人冷氣機嗎?/湯博士的物理空間
//世上沒有免費午餐。很多新奇想法聽起來都很有趣,但創意歸創意,總不能無視科學事實。如果只是用了汽水空樽就能夠製造冷氣,恐怕人人都會把空樽放在風扇前面享受涼快,所有冷氣機製造商都要關門了!在這個年代,網上的美麗故事很多,有些人更會借做善事為名而賺錢。這些故事是真是假,還是必須要小心判斷。//
【是非物理 —世上真的有窮人冷氣機嗎?】
六月中的時候有很多朋友和記者詢問我關於孟加拉一個所謂「窮人冷氣機」的原理。因為這新聞被廣泛報導,問的人實在很多,中學老師亦想利用這個例子教學。我不想在其他媒體過份簡化地討論這問題,怕斷章取義會引起公眾誤會,所以避開了所有訪問,到了現在才在這裡解釋一下。我的結論很簡單:這個所謂「窮人冷氣機」根本不合乎物理原理,是沒有可能做到的。
我在這裡會盡可能用簡單的語言,未必能滿足有數理底子的讀者,所以我之前寫了一篇涉及數學的推導的文章,詳細解釋這現象,有興趣的朋友可以在這個網址下載:
www.phy.cuhk.edu.hk/sstong/drtongsharing/cooler.pdf
新聞說在孟加拉有一間科技公司為居住在鐵皮屋的貧民設計了一個土法冷氣機,方法是把很多空汽水膠樽沿中間剪斷,然很把這些膠樽的瓶口插在一塊有很多洞的木板上,再把木板安上鐵皮屋的牆上 (圖一)。據說空氣進入室內時通過狹窄的瓶口時會降溫,產生冷氣的效果 [1],據稱可以把室內溫度降低五度之多。
氣體膨脹為何會變冷?我看見不少朋友嘗試用中學物理的理想氣體定律解釋這問題。但須知 PV=nRT 涉及的是三個物理量,氣體膨脹時體積V 增加,但氣壓 P也有可能減少,並不能得出溫度 T 必定會改變的結論。通常氣體膨脹變冷,是因為氣體的膨脹過程很快,沒有足夠時間讓周圍環境的熱流入。氣體膨脹時推開周圍的氣體 (即「作功」),失去能量,內能減少,如果這時外界沒有熱流入補充,溫度便會下降 [2]。
當空氣被「擠進」汽水樽的狹窄樽頸時 (圖二),氣體流速增加。根據伯努利原理 (Bernoulli's principle) [3],流速增加會使氣壓下降,於是氣體就膨脹了一點。如前所述,與周圍環境沒有熱交換的情況下,氣體膨脹,溫度便下降。
可惜這原理並不能用來造「窮人冷氣機」。問題出自以下幾點:(1) 絕熱膨脹的「降溫」過程只出現在空氣經過樽頸的時侯,過了樽頸,流速自然會慢下來,壓力和溫度都會回復正常,因此噴出來的氣體溫度不會有大改變,不可能是「冷氣」,(2) 除非樽頸的風速接近空氣中的聲速,否則風速變化的所造成的壓力一般遠小於大氣壓,所造成的溫度變化微乎其微,(3) 利用狹窄的樽頸的確可以增加空氣的流速,但除非在屋內有電泵或其他設施降低室內的氣壓,否則只有很少空氣會被抽進膠樽頸而被加速,所以實際上樽頸的流速不會很快,造成的溫度改變也很小。
給大家一些數字概念。如果以風速13 m/s 計算,涉及的氣壓改變只有約 100 Pa,是大氣壓力約千分之一 [4],所造成溫度變化非常小。如果要流過樽頸的空氣溫度改變攝氏一度,樽頸中的風速需要接近 45 m/s,但這已是超越颱風級數的風速,除非屋內有電泵抽氣,否則你不可能迫使大量空氣進入狹窄的樽頸並加速至這個程度 [5]。這麼高的風速違反日常生活經驗。你總不會以為只要把膠樽放在牆上,就會有颱風級數的冷風從另一邊噴出來吧!?
宣傳這個所謂「窮人冷氣機」的影片中還出現了一個常見的物理謬誤 [1]:很多人以為,張開口「呵氣」噴出來的空氣感覺較熱,合上口吹出來的空氣就感覺較冷 (圖三),是因為閉口吹出來的空氣經過口唇的細縫時速度提高,空氣出來以後急速向外膨脹,使溫度降低。但實際的情況是,從口中吹出來的空氣速度最多只有每秒鐘數米 [6],所產生的氣壓改變僅相當於大氣壓的萬分之一,又怎可能導致空氣膨脹從而改變溫度?要解釋空氣吹到手上的冷熱感覺,倒不如嘗試考慮口中吹出的熱空氣如何和周圍的冷空氣混合,較快的風速是否能更有效地帶走手上的水份和吹散周圍熱空氣等問題。這些解釋可能更實際、更接近事實。
即使是讀過物理的人,也未必了解現實環境中物理量的大小,可能是因為這些了解對於讀書考試並沒有幫助。但一旦要利用物理解釋日常生活現象,種種謬誤就由此而來。在一般日常生活情況下,風只是空氣的整體運動 (bulk motion),涉及的膨脹和溫度改變微乎其微。當然,在日常生活中也有很多例子顯示了氣體膨脹或收縮時,溫度的而且確會改變。例如用氣泵為足球打氣,最終氣壓可能是大氣壓力的兩倍,泵氣時不斷作功把氣體壓縮,泵內空氣的溫度就自然明顯提高。汽車輪胎內的氣壓是大氣壓力的數倍,爆胎時氣體湧出並大幅膨脹,冷卻效應便很明顯了。
那麼這個「窮人冷氣機」有沒有可能降低室內的溫度?比較合理的解釋是它增加了空氣的對流。鐵皮屋受到日照,溫度變得很高,而且傳熱很快,屋內被加熱後,發出的紅外線會也被金屬反彈,導致散熱很慢,產生很強的溫室效應。在這種情況下,室內的溫度會比室外的高,所以只要增加通風口,加強空氣對流,就能降低屋內溫度。
世上沒有免費午餐。很多新奇想法聽起來都很有趣,但創意歸創意,總不能無視科學事實。如果只是用了汽水空樽就能夠製造冷氣,恐怕人人都會把空樽放在風扇前面享受涼快,所有冷氣機製造商都要關門了!在這個年代,網上的美麗故事很多,有些人更會借做善事為名而賺錢。這些故事是真是假,還是必須要小心判斷。
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給進階讀者的參考
[1] 類似的報導很多,例如:
https://www.youtube.com/watch?v=i2NWr6bRKWU
[2] 氣體在膨脹過程中沒有足夠時間與周圍環境進行熱交換 (heat exchange),這就是所謂絕熱膨脹 (adiabatic expansion)。氣體膨脹時向外作功 (do work),失去能量,因此氣體的內能 (internal energy) 減少,如果外界沒有熱流入補充,氣體的溫度便會隨內能下降。這是熱力學第一定律的結果。
[3] 伯努利方程說在穩流 (steady flow) 中以下物理量沿流線 (streamline) 守恆:
P + ½ρv² = 常數
其中 P是流體壓強,ρ是密度,v 是流速。
[4] 我們可以利用根據伯努利方程大概估算一下風速與氣壓改變的關係:
P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂²
ΔP = P₂ - P₁ = ½ρ(v₁² - v₂²)
簡單地設 v₂ = 0, v₁ =13 m/s, 空氣密度為 ρ = 1.2 kg/m³,ΔP = 101 Pa,只是大氣壓力的千分之一。注意伯努利方程兩項的比例約是P/ρ和v²,但 c² = P/ρ 大約就是空氣中聲速的平方。所以兩項的比例是 v²/c²,即除非風速接近聲速,否則氣壓的改變必遠小於大氣壓。
[5] 有數理底子的朋友可以看看我在這篇文章的推導:
www.phy.cuhk.edu.hk/sstong/drtongsharing/cooler.pdf
[6] 你可以找一個電子風速計量度一下。也有人試過利用伯努利原理,估計出一個人用力吹氣入狹窄的飲管時,風速最多也不過是25 m/s左右,從狹窄的飲管換算成開闊的空間,也就是每秒鐘數米左右。
不可壓縮流體水 在 台灣物聯網實驗室 IOT Labs Facebook 的最佳解答
工業4.0時代如何淘汰阿里巴巴與小米科技?那台灣呢?
韋康博
2016-02-09
網路經濟的高速發展,締造小米手機的創業神話與阿里巴巴的電子商務帝國。媒體在熱炒「網路思維」的概念時,常常以小米手機為範本。小米公司的總裁雷軍也在各個場合宣傳小米「以使用者為中心」的網路思維;阿里巴巴更重視業務擴張與節日行銷。在2014年的「雙11光棍節」中,阿里巴巴旗下的天貓(淘寶商城)單日交易額高達571.12億元人民幣,遠遠超越2013年「雙11」的362億元人民幣成交額,刷新全球單日最大購物成交紀錄。
這種驚人的發展速度無疑是可喜的,但是隨著先進國家提出工業4.0策略,小米與阿里巴巴正面臨史上最大的危機,也就是它們很可能會從網路經濟的領航者,變成工業4.0時代的落後者。
在小米的網路思維體系中,最引以為傲的是讓使用者直接參與產品研發的運作模式,即透過使用者與研發部門的密切互動,打造出讓使用者驚豔的極致產品。這種新穎的運作模式,讓小米打敗無數實力雄厚的競爭對手。但是,在工業4.0時代,小米將不再具有優勢。
工業4.0編織出一張智慧化的產業物聯網,從研發到生產,再到行銷服務都將實現智慧化。當客戶用智慧手機對企業下單後,產業物聯網就會自動把客戶的個性化訂製需求數據,傳輸到智慧工廠的資料庫。智慧工廠根據收到的數據來自動組織產品設計、原物料加工、組裝生產的環節,再根據智慧客戶關係管理系統生成的方案,將訂製產品交付給消費者。
儘管企業與客戶依然保持深入的互動,但是工業4.0時代的智慧工廠可以代替研發人員與客戶進行溝通協商,而客戶也被納入智慧型網路的一環。如此一來,他們就能更輕鬆地得到最符合個人口味的專屬產品,並享有更低的交易成本。
如此一來,小米引以為傲的使用者參與研發模式,將從根本上產生動搖。之所以會出現這個局面,是因為小米的成長模式並不符合工業4.0時代的內涵。
從本質上來說,小米的爆發性成長並非源於卓越的技術創新能力,而是在於革新網路行銷模式。這是一種充分利用消費者心理展開的饑餓行銷模式,透過培養忠於小米品牌的粉絲族群進行口碑式傳播,讓目標消費者的購物欲望變得如饑似渴。再加上小米的高層在眾多場合炒熱網路思維理念,使得小米品牌的影響力能夠迅速在市場上蔓延。
但是,以智慧製造為核心的工業4.0,是以有自主智慧財產權的技術創新為核心競爭力。小米雖然如日中天,但產品的研發和製造往往是照抄他人的技術與創意,缺乏擁有自主智慧財產權的核心技術。一個是以產品的智慧製造為本,一個則是以網路行銷為主導,顯然兩者並不在同一條發展路徑上。
近幾年來,小米的投資涉及眾多領域,特別針對研發製造領域大幅投入。就目前而言,小米還能依靠代工廠的製造能力滿足客戶需求,利用出色的行銷能力掩蓋自己在技術創新上的不足。
工業4.0時代,善於製造將打敗善於行銷
然而,在未來的工業4.0時代中,客戶需求將變得更加多樣化、複雜化、個性化。工業4.0企業可以利用智慧化的產業物聯網大量滿足客戶的個性化需求;而依賴代工廠的小米,卻無法達到同等級的能力,難以挽留消費者。假如小米不及時建立以自身為中心的產業物聯網,培養自己的智慧工廠,就很有可能從此錯過第四次工業革命浪潮。相對來說,華為、中興等更重視自主智慧財產權研發的手機品牌,則可能搭上工業4.0的東風。
在過去,擅長製造的企業未必比得上善於行銷的企業。無數輕製造重行銷的品牌,在第三次工業革命中發展成稱霸網路經濟的巨頭,讓那些以製造見長的企業望洋興嘆。但是,隨著第四次工業革命的到來,風向可能發生根本的改變。
2014年,阿里巴巴在美國上市,很快成為全世界市值第二大的網路公司。然而,有人聲稱:工業4.0要消滅淘寶只需十年;也就是憑藉網路商城起家的阿里巴巴,在工業4.0時代裡可能會迅速衰退。
目前的中國正處於網路顛覆傳統產業的初步階段,許多傳統產業被迫接受網路改造,而網路公司也將技術優勢的觸角延伸到各個產業鏈的上下游。網路與傳統產業的大整合,是中國網路經濟發展的主要方式。而阿里巴巴做為網路行銷的通路商,借助平台的力量取得空前成功。
阿里巴巴模式用網路跨越多個產業,在中國掀起網路零售業的高潮。這個發展成果無疑相當驚人,「雙11光棍節」的輝煌戰績便足以證明。但是就實際上來說,阿里巴巴和小米一樣,並不是以研發製造為核心競爭力,同樣是立足在以行銷為本位的發展模式,只不過小米主要是經營粉絲經濟,而阿里巴巴則是靠交易平台的力量。
在網路普及的今天,線上購物的電子商務模式比實體商店的交易更加方便快捷。再加上發達的物流體系,阿里巴巴等網路商城可以有效降低成本,擴大品牌推廣力道,讓廣大消費者獲得更優惠的產品。低成本與交易便捷等優勢,是傳統實體商店、製造企業難以與之抗衡的根本原因。
然而,到了工業4.0時代,這種透過削減流通環節(circulation links)來壓縮成本的方式將逐漸失去原有優勢。因為智慧工廠直接省略銷售及流通環節,產品的整體成本(含勞動力成本、原物料成本、管理成本)比過去減少近40%。消費者可以透過產業物聯網直接向智慧工廠訂購個性化的工業4.0產品,略過阿里巴巴這個平台。
當消費者與智慧工廠能便利地直接互動時,阿里巴巴的平台交易優勢和折扣優勢都將不復存在。如此一來,阿里巴巴的命脈就被工業4.0打斷,難以繼續用現有的商業模式獲得成功。
當然,網路公司還掌握一種有力武器—大數據和雲端平台,透過大數據技術壟斷巨量的客戶資訊,即時做出符合目標消費族群的個性化精準行銷。由於工業4.0時代是追求產品個性化及人性化的時代,所以大數據與智慧製造在第四次工業革命中,同樣占據至關重要的地位。
美國國家工程院的研究報告也指出,網路巨頭亞馬遜可能憑藉大數據優勢,對正在邁向工業4.0的製造企業形成阻礙。
與亞馬遜商業模式類似的阿里巴巴,也及早建立自己的大數據分析中心與雲端平台,試圖在這個領域贏得先機。問題是:工業4.0時代的產業物聯網建設也包含製造企業的大數據與雲端平台建設。如前所述,無論是智慧工廠的管理經營,還是工業4.0企業的組織結構變革,都離不開大數據的支援。特別是智慧工廠的自主運作,以及產品與智慧機器人之間的相互交流,都需要大數據技術進行智慧監控。
儘管目前網路公司還擁有一定的大數據技術優勢,但是隨著智慧工廠的逐步完善,這種優勢將會不斷縮水。製造企業將透過更強大的技術創新能力,建立自己的工業大數據體系,打破通路商對客戶數據的壟斷,與消費者直接進行連結。屆時,阿里巴巴僅有的優勢也將蕩然無存。
事實上,小米與阿里巴巴都有一種「無限貼近消費者」的精神。這種以使用者為中心的行銷思維,完全符合網路經濟的內在邏輯,也與工業4.0時代的個性化、人性化特性不謀而合。但是,兩者的發展模式過度依賴行銷通路,並不是以擁有自主智慧財產權的研發能力為核心競爭力,而工業4.0則是以智慧製造來推動技術創新,從而比對手更高效率、精準、便捷、人性化地滿足廣大消費者的個性化訂製需求。假如不能掌握第四次工業革命的優勢,及時轉變發展模式,小米和阿里巴巴在十年內被工業4.0消滅未必是不可能的事。
資料來源:https://www.smartm.com.tw/article/32303437cea3