实现制冰自由，究竟靠什么黑科技
宋衍昌
①作为冬奥会的重点比赛项目之一，“冰丝带” 国家速滑馆一直以“高科技”的形象出现。可能很多人并不理解，不就是“结冰”吗？有啥稀奇？可是你知道么，人类真正实现“制冰自由”“绿色制冰” 经历了一个曲折的过程。
②早在先秦时代，古人便利周天然冰来降温、给食物保鲜和做冷饮。据《周礼》记载当时周王室为保证夏天有冰块使用，专门成立了相应的机构管理“冰政”，负责人称“凌人”，每年大寒时节，古人就开始凿冰储藏。管理藏冰事务的官吏监督奴隶、农民到水质好的地方凿采冰块，藏到预先准备好的冰窖里，待来年享用。大约到了唐朝末期，工匠和炼金术士们在生产火药时偶然发现：硝石(化学名称叫硝酸钙)溶于水时会吸收大量的热，使周围的水降温直至结冰。于是他们将水放入罐内，取一个更大的容器，在容器内放水，然后将罐子放在容器内，并不断地在容器中加入硝石，结果罐内的水结成了冰。
③1659年英国科学家罗伯特．波义耳把一只乌放入了广口瓶中，紧接着用真空泵吸出瓶内的空气，这只鸟便一命呜呼。但是，蹊跷的是这只鸟被冻僵了。当时的人并没有搞清楚这件事的原理，伴随着19世纪能量守恒定律的提出，人们逐渐接受了一项共识：给物质做功或用别的方式输入能量，它的内能会增加；当物质对外界做功或者输出能量，它的内能会降低。内能的涨落给一些物质带来最直观的变化就是温度的起伏，也就能利用这个原理来制冷、制冰了。
④1834年，英国的雅可比．珀金斯试制成功用乙醚为工质的制冷机。1844年，美国的戈里医生利用空气为介质制造了一台给医院制造冰块与低温空气的制冷机。
⑤在机械制造上，经过上百年的发展，人们早已与19世纪有了云泥之别。二氧化碳这一安全无毒的制冷剂，便从无人问津一跃成为了“当红明星”。
⑥随看人类在制冷行业的快速发展，各类制冰设备的推广，使得人们不再需要花费巨大的代价便可以得到足够的冰雪场地。1908 年，第4届夏季奥运会上增加了花样滑冰项目。1924年，首届冬季奥运会在法国举办； 2022年，首届完全实现 “碳中和”绿色冬季奥运会在北京举办。
⑦二氧化碳是怎么制冰的呢？
⑧我们都知道，物质存在三种不同相态：气相、液相、固相。而超临界状态则是气液两相的分界线消失的一种特殊状态。当物质处于超临界状态时，它同时存在液体和气体的性质，也因此有许多独特的特性。超临界二氧化碳是超临界物质应用之中的佼佼者，它的临界温度
只有31.3℃，临界压力(7.3MPa)和常温时的饱和气压(5.7MPa) 相比也不高。所以，在设备允许的情况下，利用二氧化碳作为制冷剂的系统很容易跨过临界点来运行。超临界二氧化碳的传热能力十分优秀，并且密度高于其他制冷剂，这让跨临界二氧化碳制冷系统的体积可以更小，系统的效率也可以更高。
⑨国家速滑馆正是使用了跨临界二氧化碳制冷机组。制冷循环大致分为以下步骤：二氧化碳气体被吸入压缩机，经过机械压缩后跨越临界点成为了高温、高压的超临界流体。高温二氧化碳流体被送入热回收器，流过被冷水包裹的管道，把冷水加热到50-70°，这一部分水将被送往场馆用于生活用水、融冰池融冰以及冰面维护浇水，大幅度减少了电力消耗；另一边，被逐级降温后的二氧化碳最终跌下临界温度成为液态，再通过节流阀膨胀后，其温度大幅度降低达到零下20℃。液态低温二氧化碳经过液体循环泵被均匀输送到埋设在场馆冰面之下的蒸发盘管中，给冰面提供所需的低温。
(节选自《科学大院》)
