【文/科學(xué)大院  宋衍昌】

我們就要迎來(lái)北京冬奧會(huì)了！

國(guó)家速滑館（圖片來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)）

在這次冰雪盛會(huì)里，“冰絲帶”國(guó)家速滑館一直以“高科技”的形象出現(xiàn)。可能很多人并不理解，不就是“結(jié)冰”嗎？有啥稀奇？可是你知道么，“制冰”這件事里的科技含量并不少，人類真正實(shí)現(xiàn)“制冰自由”還是近一百多年的事，而實(shí)現(xiàn)“綠色制冰”也是一個(gè)曲折的過(guò)程。

我不生產(chǎn)冰，我只是大自然的搬運(yùn)工

弗朗西斯·培根說(shuō)過(guò)：我們可以通過(guò)火來(lái)得到熱量，但對(duì)于冷，我們必須常常到洞穴中去尋找，即使萬(wàn)事俱備，我們也不能大規(guī)模地得到它。

早在先秦時(shí)代，古人便利用天然冰來(lái)降溫、給食物保鮮和做冷飲。據(jù)《周禮》記載，當(dāng)時(shí)周王室為保證夏天有冰塊使用，專門(mén)成立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)管理“冰政”，負(fù)責(zé)人稱“凌人”。每年大寒季節(jié)，古人就開(kāi)始鑿冰儲(chǔ)藏，他們認(rèn)為這時(shí)的冰塊最堅(jiān)硬，不易融化。管理藏冰事務(wù)的官吏監(jiān)督奴隸、農(nóng)民到水質(zhì)好的地方鑿采冰塊，藏到預(yù)先準(zhǔn)備好的冰窖里。冰窖都建在陰涼的地方，深入地下。用新鮮稻草跟蘆席鋪墊，把冰放到上面之后就覆蓋稻糠、樹(shù)葉等隔溫材料，然后密封窖口，待來(lái)年享用。

總之，在古代炎熱的夏日，沒(méi)有冰箱、空調(diào)這些電器，人們想得到一點(diǎn)清涼往往都要付出巨大的代價(jià)，冰塊是只有王公貴族才能享用的奢侈品，更不用談大規(guī)模開(kāi)展滑冰、滑雪這些娛樂(lè)項(xiàng)目了。

火藥工匠與煉金術(shù)士，居然首次制成了冰

大約到了唐朝末期/歐洲的中世紀(jì)，工匠和煉金術(shù)士們?cè)谏a(chǎn)火藥時(shí)開(kāi)采了大量硝石。他們偶然發(fā)現(xiàn)，硝石溶于水時(shí)會(huì)吸收大量的熱，能使周?chē)乃禍刂敝两Y(jié)冰。于是他們將水放入罐內(nèi)，取一個(gè)更大的容器，在容器內(nèi)放水，然后將罐子放在容器內(nèi)，并不斷地在容器中加入硝石，結(jié)果罐內(nèi)的水結(jié)成了冰。

這個(gè)過(guò)程的原理是：硝石是一種白色味苦的晶體，化學(xué)名稱叫硝酸鈣，它溶解于水時(shí)會(huì)吸收大量熱量，使周?chē)鷾囟冉档鸵灾陆Y(jié)成冰。硝石溶于水后，可以用降溫結(jié)晶法或蒸發(fā)結(jié)晶法將硝石再提出來(lái)重復(fù)使用。但提純能制冰的硝石極其困難，制冰又要耗費(fèi)大量人工，人類制冰的代價(jià)仍然十分高昂。

終于發(fā)現(xiàn)了能量與熱量的秘密

1659年英國(guó)科學(xué)家羅伯特·波義耳把一只鳥(niǎo)放入了廣口瓶中，緊接著用真空泵吸出瓶?jī)?nèi)的空氣，不出所料，這只鳥(niǎo)很快就一命嗚呼。但是，蹊蹺之處在于這只鳥(niǎo)被凍僵了。

油畫(huà)：鳥(niǎo)在空氣泵中的實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)源：維基百科）

當(dāng)時(shí)的人并沒(méi)有搞清楚這件事的原理，直到18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明，讓人類意識(shí)到熱量與能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，伴隨著19世紀(jì)能量守恒定律的提出，現(xiàn)代熱力學(xué)的基礎(chǔ)也由此奠定。

人們逐漸接受了一項(xiàng)共識(shí)：給物質(zhì)做功或用別的方式輸入能量，它的內(nèi)能會(huì)增加；當(dāng)物質(zhì)對(duì)外界做功或者輸出能量，它的內(nèi)能會(huì)降低。內(nèi)能的漲落給一些物質(zhì)帶來(lái)最直觀的變化就是溫度的起伏，也就能利用這個(gè)原理來(lái)制冷、制冰了。

蒸汽機(jī)的原理（圖片來(lái)源Youtube）

1834年，英國(guó)的雅可比·珀金斯試制成功用乙醚為工質(zhì)的制冷機(jī)，采用人力轉(zhuǎn)動(dòng)，可以連續(xù)工作。

1844年，美國(guó)的戈里醫(yī)生利用空氣為介質(zhì)制造了一臺(tái)給醫(yī)院制造冰塊與低溫空氣的制冷機(jī)。

戈里的制冷機(jī)原理是：通過(guò)氣體泵提高空氣的壓力，增壓后同時(shí)又升溫的空氣經(jīng)過(guò)冷卻水，被冷卻到與環(huán)境相當(dāng)?shù)臏囟扔直３种饲暗膲毫?，此時(shí)再讓高壓空氣膨脹，這時(shí)空氣的溫度驟降，這些低溫的空氣可以拿來(lái)給水降溫從而制造冰塊，也可以給夏日的醫(yī)院提供冷風(fēng)。

隨著戈里醫(yī)生的制冷機(jī)原型得到推廣，在隨后的幾十年里，各式各樣的制冷機(jī)推陳出新，其中應(yīng)用最為廣泛的是根據(jù)液體蒸發(fā)吸熱來(lái)制冷的蒸汽壓縮式制冷機(jī)，根據(jù)所選擇的制冷劑不同，可以分為下面的幾種類型。

1. 采用氨的蒸汽壓縮制冷機(jī)

這一類制冷機(jī)與空氣介質(zhì)制冷機(jī)相似卻又不同。我們都知道，液體蒸發(fā)會(huì)帶走大量的熱，這一部分熱量叫做相變的潛熱，也就是遠(yuǎn)大于物質(zhì)溫度變化的顯熱。

蒸汽壓縮制冷機(jī)正是利用了這一特性，首先將氨蒸汽通入壓縮機(jī)中升壓，得到了高溫、高壓的氨蒸汽；再用室溫的冷水或者冷風(fēng)將它降溫，帶走它的熱量，氨蒸汽就此被冷凝；冷凝后的液體氨還保持著很高的壓力，這時(shí)將它通入膨脹閥中，和前面的空氣制冷機(jī)類似，高壓介質(zhì)膨脹降溫，我們就得到了低溫的液體氨。制冷機(jī)中的低溫液體繼續(xù)向前流動(dòng)到需要制冷的管路中，液體介質(zhì)快速蒸發(fā)，從環(huán)境中吸收了大量的熱量，便創(chuàng)造了人們需要的低溫環(huán)境（比如冰場(chǎng)）。

這就是一直沿用至今的蒸汽壓縮制冷循環(huán)，在19世紀(jì)的60年代，所有制冷的需求都可以用氨制冷循環(huán)來(lái)滿足，但它存在著致命的缺點(diǎn)——氨易爆炸，且有毒。

2. 采用二氧化碳的制冷機(jī)

隨著氨制冷機(jī)的意外頻頻發(fā)生，19世紀(jì)的科學(xué)家和工程師們將目光轉(zhuǎn)向了二氧化碳，它無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)爆炸，極易制備。即使設(shè)備出現(xiàn)泄露，也完全不用擔(dān)心，直接把它排入空氣就好。

1869年，美國(guó)人洛威以二氧化碳作為制冷劑制造了一臺(tái)制冰機(jī)，由此拉開(kāi)了二氧化碳制冰之路的帷幕。不過(guò)由于二氧化碳制冷設(shè)備的運(yùn)行壓力高出氨制冷系統(tǒng)幾倍，它始終沒(méi)能把氨系統(tǒng)給淘汰。隨后的幾十年里，在制冰行業(yè)里二氧化碳和氨系統(tǒng)平分秋色。

3. 采用氟利昂等人工合成制冷劑的制冷機(jī)

在20世紀(jì)，合成化工高速發(fā)展給各行各業(yè)都帶來(lái)了影響，二氧化碳、氨這些天然制冷劑逐漸被以氟利昂為代表的氯氟烴以及氫氟碳化物所代替。這一類人工合成制冷劑有著很好的制冷性能，并且沒(méi)有二氧化碳的高壓困擾以及氨氣的毒性，也因此在開(kāi)發(fā)伊始便被迅速推廣。

但這類化合物對(duì)環(huán)境卻不太友好，氟利昂等氯氟烴類制冷劑在紫外線的照射下會(huì)與臭氧分子快速反應(yīng)，地球臭氧層被極大破壞，局部地區(qū)例如南極上空甚至出現(xiàn)了巨大的臭氧層空洞；

用以替代氟利昂類制冷劑的氫氟碳化物制冷劑則是很難在大氣中分解，這一類物質(zhì)停留在大氣中，會(huì)嚴(yán)重阻礙地球向外的散熱，直接促進(jìn)全球變暖的進(jìn)程，這類物質(zhì)對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)值甚至達(dá)到了二氧化碳的成百上千倍。

南極上空的臭氧層空洞（圖片來(lái)源NASA）

聯(lián)合國(guó)為了避免工業(yè)產(chǎn)品中的氟氯碳化物對(duì)地球臭氧層繼續(xù)造成惡化及損害，于1987年9月16日邀請(qǐng)所屬26個(gè)會(huì)員國(guó)在加拿大蒙特利爾所簽署的環(huán)境保護(hù)公約，我國(guó)也于1991年加入《蒙特利爾議定書(shū)》締約國(guó)。1997年12月在日本京都由聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約參加國(guó)簽訂了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書(shū)》，這兩項(xiàng)合約的簽訂正式標(biāo)志著氟利昂類以及氫氟碳化物類制冷劑的淘汰提上了日程。

綠色制冰，二氧化碳出手了

舊制冷劑的淘汰就意味著新制冷劑的推出，但找到性能優(yōu)良卻對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響的制冷劑卻異常困難。

我們都知道奧卡姆剃刀原則：如無(wú)必要，勿增實(shí)體，這句話對(duì)大自然也同樣適用。因此，被淘汰許久的天然制冷劑又重新回到了人類視野之中。

經(jīng)過(guò)了上百年的發(fā)展，人們?cè)跈C(jī)械制造上早已與19世紀(jì)有了云泥之別。當(dāng)初受限的設(shè)備問(wèn)題已經(jīng)可以被輕松解決，二氧化碳這一安全無(wú)毒的制冷劑，更是從無(wú)人問(wèn)津一躍成為了當(dāng)紅明星。

通過(guò)種種現(xiàn)代制冷手段，人們已經(jīng)可以制造出滿足日常生活絕大多數(shù)需求的低溫。隨著人類在制冷行業(yè)的快速發(fā)展。各類制冰設(shè)備的推廣使得人們不再需要花費(fèi)巨大的代價(jià)便可以得到足夠的冰雪場(chǎng)地。

1908年，第4屆夏季奧運(yùn)會(huì)上增加了花樣滑冰項(xiàng)目，1924年，首屆正式的冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)在法國(guó)舉辦。2022年，首屆完全實(shí)現(xiàn)“碳中和”的綠色冬季奧運(yùn)會(huì)將在北京舉辦。除了可再生能源、材料的使用，現(xiàn)代綠色制冷技術(shù)的應(yīng)用也是零碳排放冬奧會(huì)的關(guān)鍵，其中的代表之作便是國(guó)家速滑館的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)應(yīng)用，這是世界上首個(gè)采用該技術(shù)的大型冰雪運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館。

二氧化碳是怎么制冰的？

我們都知道，物質(zhì)存在三種不同的相態(tài)：氣相、液相以及固相。而超臨界狀態(tài)則是氣液兩相的分界線消失的一種特殊狀態(tài)。當(dāng)物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)時(shí)，它同時(shí)存在液體和氣體的性質(zhì)，也因此有許多獨(dú)特的特性。

二氧化碳在不同溫度、壓力下的相態(tài)（圖片來(lái)源維基百科）

超臨界二氧化碳是超臨界物質(zhì)應(yīng)用之中的佼佼者，它的臨界溫度只有31.3℃，臨界壓力（7.3MPa）和常溫時(shí)的飽和氣壓（5.7MPa）相比也不高。所以，在設(shè)備允許的情況下，利用二氧化碳作為制冷劑的系統(tǒng)很容易跨過(guò)臨界點(diǎn)來(lái)運(yùn)行。超臨界二氧化碳的傳熱能力十分優(yōu)秀，并且密度高于其他制冷劑，這讓跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的體積可以更小，系統(tǒng)的效率也可以更高。

國(guó)家速滑館正是使用了跨臨界二氧化碳制冷機(jī)組。制冷循環(huán)大致分為以下步驟：

二氧化碳?xì)怏w被吸入壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)機(jī)械壓縮后跨越臨界點(diǎn)成為了高溫、高壓的超臨界流體；

高溫二氧化碳流體被送入熱回收器，流過(guò)被冷水包裹的管道，把冷水加熱到50-70℃，這一部分水將被送往場(chǎng)館用于生活用水、融冰池融冰以及冰面維護(hù)澆水，大幅度減少了電力消耗；

另一邊，被逐級(jí)降溫后的二氧化碳最終跌下臨界溫度成為液態(tài)，再通過(guò)節(jié)流閥膨脹后，其溫度大幅度降低達(dá)到-20℃；液態(tài)低溫二氧化碳經(jīng)過(guò)液體循環(huán)泵被均勻輸送到埋設(shè)在場(chǎng)館冰面之下的蒸發(fā)盤(pán)管中，給冰面提供所需的低溫。

蒸發(fā)后的二氧化碳再進(jìn)入壓縮機(jī)中進(jìn)行下一次循環(huán)。

經(jīng)過(guò)研究人員測(cè)算，國(guó)家速滑館的二氧化碳制冰系統(tǒng)每年可以節(jié)省約180萬(wàn)度電量。

更快、更高、更強(qiáng)是奧運(yùn)會(huì)一貫的宗旨，而科學(xué)家在技術(shù)上的一次次突破，也正是人類為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化而不懈努力的縮影。

（文章原載于微信公眾號(hào)“科學(xué)大院”，觀察者網(wǎng)已獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。）

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