科学大院：实现制冰自由，究竟靠什么黑科技？

　　【文/科学大院 宋衍昌】

　　我们就要迎来北京冬奥会了！

　　国家速滑馆（图片来源：北京日报）

　　在这次冰雪盛会里，“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，“制冰”这件事里的科技含量并不少，人类真正实现“制冰自由”还是近一百多年的事，而实现“绿色制冰”也是一个曲折的过程。

　　我不生产冰，我只是大自然的搬运工

　　弗朗西斯·培根说过：我们可以通过火来得到热量，但对于冷，我们必须常常到洞穴中去寻找，即使万事俱备，我们也不能大规模地得到它。

　　早在先秦时代，古人便利用天然冰来降温、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”。每年大寒季节，古人就开始凿冰储藏，他们认为这时的冰块最坚硬，不易融化。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。冰窖都建在阴凉的地方，深入地下。用新鲜稻草跟芦席铺垫，把冰放到上面之后就覆盖稻糠、树叶等隔温材料，然后密封窖口，待来年享用。

　　总之，在古代炎热的夏日，没有冰箱、空调这些电器，人们想得到一点清凉往往都要付出巨大的代价，冰块是只有王公贵族才能享用的奢侈品，更不用谈大规模开展滑冰、滑雪这些娱乐项目了。

　　火药工匠与炼金术士，居然首次制成了冰

　　大约到了唐朝末期/欧洲的中世纪，工匠和炼金术士们在生产火药时开采了大量硝石。他们偶然发现，硝石溶于水时会吸收大量的热，能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。

　　这个过程的原理是：硝石是一种白色味苦的晶体，化学名称叫硝酸钙，它溶解于水时会吸收大量热量，使周围温度降低以致结成冰。硝石溶于水后，可以用降温结晶法或蒸发结晶法将硝石再提出来重复使用。但提纯能制冰的硝石极其困难，制冰又要耗费大量人工，人类制冰的代价仍然十分高昂。

　　终于发现了能量与热量的秘密

　　1659年英国科学家罗伯特·波义耳把一只鸟放入了广口瓶中，紧接着用真空泵吸出瓶内的空气，不出所料，这只鸟很快就一命呜呼。但是，蹊跷之处在于这只鸟被冻僵了。

　　油画：鸟在空气泵中的实验（图片来源：维基百科）

　　当时的人并没有搞清楚这件事的原理，直到18世纪蒸汽机的发明，让人类意识到热量与能量是可以相互转化的，伴随着19世纪能量守恒定律的提出，现代热力学的基础也由此奠定。

　　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。

　　蒸汽机的原理（图片来源Youtube）

　　1834年，英国的雅可比·珀金斯试制成功用乙醚为工质的制冷机，采用人力转动，可以连续工作。

　　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。

　　戈里的制冷机原理是：通过气体泵提高空气的压力，增压后同时又升温的空气经过冷却水，被冷却到与环境相当的温度又保持着此前的压力，此时再让高压空气膨胀，这时空气的温度骤降，这些低温的空气可以拿来给水降温从而制造冰块，也可以给夏日的医院提供冷风。

　　随着戈里医生的制冷机原型得到推广，在随后的几十年里，各式各样的制冷机推陈出新，其中应用最为广泛的是根据液体蒸发吸热来制冷的蒸汽压缩式制冷机，根据所选择的制冷剂不同，可以分为下面的几种类型。

　　1. 采用氨的蒸汽压缩制冷机

　　这一类制冷机与空气介质制冷机相似却又不同。我们都知道，液体蒸发会带走大量的热，这一部分热量叫做相变的潜热，也就是远大于物质温度变化的显热。

　　蒸汽压缩制冷机正是利用了这一特性，首先将氨蒸汽通入压缩机中升压，得到了高温、高压的氨蒸汽；再用室温的冷水或者冷风将它降温，带走它的热量，氨蒸汽就此被冷凝；冷凝后的液体氨还保持着很高的压力，这时将它通入膨胀阀中，和前面的空气制冷机类似，高压介质膨胀降温，我们就得到了低温的液体氨。制冷机中的低温液体继续向前流动到需要制冷的管路中，液体介质快速蒸发，从环境中吸收了大量的热量，便创造了人们需要的低温环境（比如冰场）。

　　这就是一直沿用至今的蒸汽压缩制冷循环，在19世纪的60年代，所有制冷的需求都可以用氨制冷循环来满足，但它存在着致命的缺点——氨易爆炸，且有毒。