冰箱為什麼會讓房間變熱？
― 它不是消滅熱，而是把熱搬出去
炎熱的日子裡，你可能想過打開冰箱門讓房間涼一點——實際試試看，房間不會變涼，反而會變熱。因為冰箱不是消滅熱的機器，而是把熱從裡面搬到外面的機器。而且，搬運時用掉的電，最後也會變成熱。這篇文章從頭到尾只用加法和減法。
把廚房的冰箱稍微拉出來，摸摸背面或側面。應該會感到微微的溫熱。特別是下方和側面，會更熱一些。
裡面是冷的，外面卻是熱的。這股「熱」是從哪裡來的呢？
答案是兩筆加總。第一，是從庫內取出來的熱。把食物冰冷，就是把食物原本帶有的熱搬到別處。搬去的地方，就是這個背面。
第二，是搬運時用掉的電。這些電最後也會變成熱，從同一個地方散發出去。
冷卻不是把熱消滅，而是把熱從這裡搬到那裡。搬到的地方，一定會變熱。
所以往外散發的熱，一定比從庫內取出的熱還要多。差額就是用掉的電。
把這兩點加起來，就會得出整個房間必定會變熱的結論。沒有逃避的餘地。
「冷卻」就是把熱搬出去
這裡是最重要的地方。能製造出冷的機器，並不存在。
冰箱在做的事，只是抓住庫內的熱，丟到外面而已。就像把船裡的水舀出去讓船變輕，水並沒有消失，只是被搬到船外。
所以丟到的地方，一定會變熱。冰箱背面之所以是熱的，不是故障也不是浪費，而是正常運作的證據。
還有一點：熱如果放著不管，不會自己從冷的一方跑到熱的一方。就像水不會自己往上坡流。要讓它往上走，需要幫浦。推動冰箱這個幫浦的，就是電。
只是把熱搬到別處而已。
所以，開著門房間也不會變涼
回到一開始的疑問。炎熱的日子裡打開冰箱門不關，會怎麼樣？
從庫內抽出的熱，會從背面散發到房間。但門開著的話，這些熱會從開著的門口回到庫內。形成一個「出去又回來」的循環。
剩下的，只有驅動幫浦所用掉的電。這些電最後也會變成熱釋放到房間。
也就是說，開著門的冰箱，會變成一台消耗多少電就多少瓦的電暖爐。不但不會變涼，反而一定會變熱。
算一算，如果是隔熱良好的6坪房間，1小時內溫度可能上升超過10℃（詳細計算在最後的折疊區塊）。當然實際上牆壁和窗戶會散熱，所以不會升到那麼高，但方向一定是「變熱」。
冰箱之所以無法讓房間變涼，是因為丟熱的地方，跟房間是同一個空間。那麼，只要把丟熱的地方搬到外面就行了。
那就是冷氣機。室外機，就是相當於冰箱背面的部分，整個搬到屋外。冷卻的原理相同，不同的只是「把熱丟到哪裡」而已。
所以把室外機周圍堵住，效率會下降。因為丟出去的熱又跑回來，接近開著冰箱門的狀態。把東西塞進冰箱背面也是同樣的道理，並不好。
窗型或移動式冷氣機，需要把排氣管伸出窗外，也是同樣的道理。排氣管如果垂在室內，就不會變涼。
反過來用，好處就完全不同了
到目前為止，都是「跟想像相反」的故事。但把同樣的性質用在暖氣上，情況就完全逆轉了。
電暖爐把電變成熱。1000 W的電，只能變成1000 W的熱，不會更多。
另一方面，冷氣機的暖氣模式，是從外面的冷空氣中抽取熱，搬進房間。電不是用來「製造熱」，而是用來「搬運熱」。
結果用1000 W的電，就能把3000～4000 W的熱送進房間。是電暖爐的3～4倍。換算成電費，等於只要四分之一。
聽起來可能很不可思議，但並沒有違反能量守恆定律。多出來的部分，只是從外面拿來的而已。冷空氣裡也是有熱的。「冷」不等於「沒有熱」。
- 在冰箱背面和側面留出空隙使用說明書上會寫「上方留◯cm、側邊留◯cm」。如果丟出去的熱散不出去，效率就會下降，反而更耗電。不要在背面靠著紙箱，也不要在上面堆東西。
- 不要堵住室外機的前方盆栽、腳踏車、儲物櫃。吹出來的熱如果又被吸回去，冷氣和暖氣都會變得不好用。遮擋陽光直射是有效的做法，但不要堵住風的通道。
- 暖氣的話，冷氣機比電暖爐划算用同樣的電，能送進3～4倍的熱。不過外面非常冷時效率會下降。另外，電暖爐也有「馬上就熱」「只暖小範圍」等其他優點。使用燃燒式暖氣設備時，請務必通風（一氧化碳的文章）。
在廚房就能確認的事
- 把手掌貼在冰箱側面或背面的下方（近年的機種常以側面作為散熱面）
- 接著把手伸進庫內，確認冰冷的感覺
- 確認同一台機器，緊鄰的兩處竟分成一熱一冷
- 看插座附近的耗電量標示（寫在機身側面或背面的貼紙上）
- 那個數字，就是「這台冰箱讓房間變熱的強度」本身
第3點和第5點是這個觀察的重點。熱並非消失，而是從一邊移到另一邊，這點可以用手確認。而且讓房間變熱的強度，取決於耗電量，而不是抽出的熱量，這正是本文的結論。有些機種的散熱部位會變得很燙，請不要長時間觸摸。查看背面時，請小心不要勾到電線。
總結
冰箱之所以會讓房間變熱，是因為它不是消滅熱，而是把熱從庫內搬到外面。搬運用掉的電也會變成熱，所以往外散發的熱，一定比從庫內取出的熱還要多。打開門，搬出去的熱就會回來，只剩下電力那份留下來。
搬運熱的機器，只要改變方向，就能變成暖氣。
同樣的性質，既可能吃虧，也可能佔便宜。
想知道更多 ― 用語、數值與教科書的關聯從國中理科到研究中的話題，都清楚標示屬於哪個程度
- 國中國中理科所學的範圍
- 高中高中「物理基礎」所學的範圍
- 高中＋高中「物理」，或教科書中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（熱力學）的內容
- 研究連大學都不會當作「定論」教授，而是研究者目前仍在探究中的話題
國中用語：搬運熱的機器的詞彙
- 熱泵：把熱從低處抽到高處的機制。冰箱和冷氣機都是這種原理。
- 冷媒：負責搬運熱的物質。蒸發時吸收熱，被壓縮變回液體時釋放熱。
- 性能係數（COP）：用掉1份電，能搬運幾份熱。冰箱大約在2～4之間。
- 能量守恆定律：能量不會消失，只會改變形式。本文的所有計算，都只靠這一點進行。
- 熱力學第二定律：熱如果放著不管，只會從熱的一方移到冷的一方，這是一項規則。
高中用公式驗證：只靠加法和減法就能得出結論
本文難得地幾乎不需要乘法。用到的只有能量守恆定律這一條。
向外散發的熱 ＝ 從庫內取出的熱 ＋ 用掉的電
| 向外散發的熱 | 從背面散發到房間的部分［W］ |
| 從庫內取出的熱 | 從食物或庫內空氣抽取的部分［W］ |
| 用掉的電 | 從插座進來的部分［W］ |
進來的東西，一定會流向某處出去。就這麼簡單。冰箱內部的能量不會一直累積，所以進去的一方和出去的一方，必定相等。
能抽出多少熱，用相當於用掉的電的幾倍來表示。這稱為性能係數（COP），家用冰箱大約是2～4左右。
| 耗電量 | 設為 100 W |
| 性能係數 | 設為 3 |
| 從庫內抽出的熱 | 100 × 3 ＝ 300 W |
| 向外散發的熱 | 300 ＋ 100 ＝ 400 W |
用100 W的電，散發出400 W的熱。是抽取來的300 W，加上電力100 W的總和。
來算對房間的淨值。因為庫內也在同一個房間裡，庫內變冷的部分，對房間來說是「負數」。
| 釋放到房間的熱 | 400 W |
| 庫內承受的冷 | 300 W |
| 房間的淨值 | 400 − 300 ＝ 100 W 的暖氣 |
正好等於耗電量。這不是巧合，因為從①的公式來看，300一定會在減法中消掉。
門一開，庫內就成了房間的一部分。抽出來的300 W，會從開著的門回到庫內。
| 釋放到房間的熱 | 400 W |
| 回到庫內的熱 | 300 W |
| 房間的淨值 | 400 − 300 ＝ 100 W |
跟②的答案完全一樣。不管開門還是關門，整個房間都會增加相當於耗電量的熱，這一點不會改變。
不同的地方，只在於「哪裡會變冷」。關著門，庫內會變冷。開著門，哪裡都不會變冷。冷不是被分散開來，而是直接消失了。
即使提高性能係數，這個結論也不會改變。就算COP是10，1000 − 900 ＝ 100，依然是100 W。不管性能提升多少，開著門的冰箱都還是暖氣，這點可以確定。
| 6坪房間的體積 | 約 25 m³ |
| 空氣密度 | 1.2 kg/m³ |
| 空氣質量 | 25 × 1.2 ＝ 30 kg |
| 空氣比熱 | 約 1000 J/(kg·K) |
| 升高1℃所需的熱 | 30 × 1000 ＝ 30000 J |
| 1小時進入的熱（100 W） | 100 × 3600 ＝ 360000 J |
| 1小時的溫度上升 | 360000 ÷ 30000 ＝ 12 ℃ |
如果熱完全不散失，1小時就會上升12℃。實際上因為牆壁和窗戶會散熱，不會升到這麼高。即使如此，方向一定是「變熱」。
順帶一提，這個計算也包含了人。人在靜止狀態下，據說會散發約100 W的熱。開著門的一台冰箱，幾乎等於房間裡多了一個人。
| 電暖爐 1000 W | 進入房間的熱是 1000 W（不會更多） |
| 冷氣機暖氣 1000 W、性能係數 4 | 1000 × 4 ＝ 4000 W |
| 獲得同樣熱量所需的電力比 | 1000 ÷ 4000 ＝ 0.25（四分之一） |
電費是四分之一。因為不是「製造」熱，而是「搬運」熱，不足的3000 W，是從屋外的空氣中拿來的。
看起來像是違反能量守恆定律，但其實沒有。屋外的空氣，因此相應地變冷了。「冷空氣」裡也是有熱的，只要不是絕對零度，就還有熱可以抽取。
※ 性能係數會隨外氣溫變化，越冷越低。寒冷地區的設計方式不同。
高中＋抽取熱量是有上限的
如果「性能係數越高越划算」，就會想無限提高。但其實有上限。而且這個上限並非取決於機器的好壞，而是只由溫度差決定。
就像抽取的高度越低越輕鬆，庫內與外部的溫度差越小，上限就越高。
| 庫內 0℃ 換算成絕對溫度 | 273 K |
| 外部 27℃ 換算成絕對溫度 | 300 K |
| 溫度差 | 300 − 273 ＝ 27 K |
| 上限 | 273 ÷ 27 ≒ 10 |
理論上限是10，而實際的冰箱大約只有2～4。雖然仍有差距，但越接近上限，改良就越困難。
而且溫度差越大，這個上限就越低。冷凍庫（零下18℃）因為溫度差比冷藏室大，處於不利的位置。冷凍比較耗電，不是性能問題，而是原理上的結果。
大學為什麼要「壓縮又膨脹」
冷媒在庫內蒸發時吸收熱，在外部變回液體時釋放熱。液體變成氣體需要大量的熱，所以少量就能搬運大量的熱（跟保溫瓶的文章中提到的汽化熱是同樣的性質）。
這裡的問題在於「要在比庫內更低的溫度蒸發、比外氣更高的溫度凝結」這個條件。同一種物質，必須同時滿足這兩者。
能做到這點，靠的是壓力的調節。降低壓力，沸點就會變低；提高壓力，就必須在更高的溫度才會變回液體（跟壓力鍋的文章是同樣的關係）。壓縮機，就是為了製造這個壓力差而運轉。
也就是說，冰箱是依地點不同、讓同一種物質以不同沸點運作的機器。電不是用來「冷卻」，而是用來維持這個壓力差。
研究尚未解決的問題
- 冷媒本身，就是一大課題。過去使用的物質因為破壞臭氧層而被列入管制，接著使用的替代品，又被認為溫室效應是二氧化碳的數百到數千倍，同樣成為管制對象。尋找同時滿足性能、安全性、環境影響的物質，至今仍在進行。也有一些候選物質具有可燃性或毒性，並不單純。
- 不使用壓縮的冷卻方式正在研究中。包括施加或移除磁場來改變溫度的方法、讓材料伸縮以吸放熱的方法等。不需要冷媒是一大優點，但能否達到實用的性能與成本，還看不到明確的方向。
- 寒冷地區的熱泵暖氣，至今仍是難題。外面越冷，需要抽取的高度就越大，效率也越低。改良雖持續進行，能在多低的外氣溫下成立仍是課題。
- 全球冷氣需求正在急速增加。氣溫上升，冷氣使用就增加；冷氣增加，排熱和用電量也隨之增加。該如何處理這個循環，是一個單靠技術無法解決的問題，目前仍在討論中。
原理在19世紀就已確立，計算只需加減法就夠了。儘管如此，「用什麼來搬運熱」這一點，至今仍未有定論。原理淺顯易懂，跟問題已經解決，是兩回事。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・熱的傳遞／能量 | 熱不會消失、只會移動 |
| 高中 | 物理基礎・熱與功（第一定律） | 向外散發的熱 ＝ 取出的熱 ＋ 電力 |
| 高中 | 物理基礎・熱量與比熱 | 6坪房間會上升幾℃的計算 |
| 高中＋ | 物理・熱機與第二定律 | 性能係數的上限，由溫度差決定 |
| 大學 | 熱力學・冷凍工程 | 冷凍循環、壓力與沸點的操作 |
| 研究 | 冷凍・空調（未解決） | 冷媒的選擇、非壓縮式冷卻、寒冷地區 |
| ― | 生活 | 散熱空間、暖氣的選擇方式 |
- 日本冷凍空調學會（日本冷凍空調学会）關於冷凍循環及熱泵的解說資料。
- 日本資源能源廳（資源エネルギー庁）關於家用設備節能的相關資料。
- Çengel, Y. A. & Boles, M. A., Thermodynamics: An Engineering Approach（熱力學的標準教科書）。
- 日本環境省（環境省）關於氟氯化物排放抑制及替代冷媒的相關資料。
- Kitanovski, A. 等人，關於磁性冷卻與固態冷卻技術的研究。
※ 耗電量、性能係數、房間大小會因機種與條件而有很大差異。本文採用便於計算的代表數值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。冰箱和冷氣機的安裝與使用，請務必依照產品使用說明書進行。使用燃燒式暖氣設備時，請勿疏於通風。文中數值僅為理解原理所用的參考值。