不知不覺，2022年冬奧會即將迎來閉幕式，這些天看比賽的小編也是非常興奮，都無心工作了。
本次第24屆冬季奧林匹克運動會由北京市與張家口市攜手舉辦，北京市也成為世界首個舉辦過夏季奧運會和冬季奧運會的城市。
說起冬季的冰雪運動，咱們可就有的嘮了。根據(jù)最新的觀點，冰雪運動可能起源于我國新疆阿勒泰地區(qū)的舊石器時代晚期，距今足有一萬多年了。
除了滑雪，滑冰也很早就出現(xiàn)了。早在漢代，就有“踏羊角”的記載，所謂“踏羊角”，就是用羊角制成簡單的滑冰器具在冰面滑行。至于清朝就更厲害了，清朝起于山海關(guān)外，也就是我國東北，那嘎達(dá)，老適合滑冰滑雪了，滿人不僅利用滑冰滑雪狩獵，甚至還用來行軍作戰(zhàn)，努爾哈赤便曾利用“烏拉滑子”晝夜行軍上千里作戰(zhàn)。清朝建立以后，冰上活動“冰嬉”也成為宮廷體育娛樂活動參與人數(shù)曾達(dá)到一千六百人之多。
冰嬉圖 | 圖源自參考資料1
不過要說起滑冰，你得有冰啊，一直以來，人們都只能在天然冰面滑冰，直到 19世紀(jì)，機械制冷技術(shù)幫助我們實現(xiàn)了人工建造冰場，滑冰這項運動終于不再受制于天氣了。
人工建造的冰場通常會在場地下方建造混凝土層，并在混凝土層中預(yù)埋管網(wǎng)，低溫的液體在管網(wǎng)中不斷循環(huán)，降低混凝土層溫度至水的冰點之下，這樣就可以在混凝土層之上凍結(jié)冰層，建造冰場。
典型人工冰場場地構(gòu)造 | 圖源自參考資料2
本次冬奧會，秉承著“綠色奧運”的理念，我們在場館建設(shè)方面便著重考慮了環(huán)保的因素。因此本次冬奧會的速滑場館是奧運史上首次大規(guī)模使用CO? 跨臨界直冷技術(shù)，不僅高效而且環(huán)保。
人工冰場的關(guān)鍵便是人工制冷，人工制冷又可以分為間接制冷與直接蒸發(fā)式制冷。
間接制冷，即載冷劑制冷。其原理很簡單，就是利用液氨或氟利昂做制冷劑，通過制冷機組運行為載冷劑降溫，再利用低溫的載冷劑再冰場下方混凝土層的管網(wǎng)中，并通過載冷劑冷卻冰層。載冷劑一般選用乙二醇或鹽水，低溫載冷劑在冰層下方管網(wǎng)中流動，通過熱交換吸收熱量。
間接式制冷的優(yōu)點顯而易見，這種制冷方式只需要很少的制冷劑，比較安全；管道可以使用塑料管，成本低。但缺點也比較突出，首先是制冷劑方面，液氨制冷劑易于制取、價格低廉、性質(zhì)優(yōu)異、不破壞臭氧層、無溫室效應(yīng)……但！液氨有毒，一旦泄露，會有刺激性氣味，且容易引起燃燒和爆炸。而氟利昂則是非常好的制冷劑，但大家也知道，氟利昂會破壞臭氧層，為落實《蒙特利爾議定書》，氟利昂作為制冷劑已經(jīng)被逐漸淘汰。
直接制冷便沒有載冷劑，全程只有CO? 在管網(wǎng)中流動，其原理圖如下圖所示：
CO? 跨臨界直冷技術(shù)原理圖 | 圖源自參考資料3
CO? 經(jīng)壓縮與冷卻后，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，液態(tài)CO? 經(jīng)泵泵入冰場下方管網(wǎng)，冰場在這里就相當(dāng)蒸發(fā)器，液態(tài)CO? 在管網(wǎng)中蒸發(fā)吸收熱量（當(dāng)然不是全部CO? 都會蒸發(fā)），實現(xiàn)降溫的目的。
那么，這個跨臨界是啥意思呢？其實也很簡單，CO? 的臨界溫度是31.1℃，臨界壓力是7.38MPa。冬天冰場室溫較低，CO? 只在液態(tài)與氣態(tài)中轉(zhuǎn)變，此時，制冷系統(tǒng)在亞臨界運行。但如果在夏天，室溫較高時，CO? 吸熱可能會超過臨界溫度，進(jìn)入超臨界流體相，回到儲液器之后，經(jīng)過冷卻，重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。這時，CO? 制冷系統(tǒng)便在跨臨界運行。物質(zhì)的超臨界相是指物質(zhì)在高壓高溫下一種特殊相。這種狀態(tài)下，物質(zhì)已經(jīng)沒有氣體與液體之分了。
CO? 相圖 | 圖源自網(wǎng)絡(luò)
CO? 直接蒸發(fā)式制冷優(yōu)點十分突出。CO? 作為天然制冷劑對自然無危害，不可燃，無毒無味，只在濃度很高的時候才會對人體產(chǎn)生危害，價格低廉容易制取；冰面溫度均勻性好，冰面溫差不超過0.5℃；傳熱效率高；CO? 單位容積制冷量大，所需管網(wǎng)管徑小，所需泵揚程小；當(dāng)然，這種制冷方式也不是全是優(yōu)點。CO? 直接蒸發(fā)式制冷中管路潤滑油十分重要，因此需要設(shè)計回油系統(tǒng)，另一方面，CO?直接蒸發(fā)式制冷中管網(wǎng)運行壓力高，對管網(wǎng)強度，焊接工藝要求都很高。
CO? 跨臨界直冷技術(shù)場地構(gòu)造 | 圖源自參考資料2
了解了制冷技術(shù)后，那我們就來看看究竟怎么制冰吧，先來看看我們的主角——國家速滑館。
冰絲帶國家速滑館，是本次冬奧會唯一新建場館，其將與“鳥巢”、“水立方”共同組成“雙奧”之城標(biāo)志性建筑群。
“冰絲帶”國家速滑館 | 圖源自冬奧官網(wǎng)
在“冰絲帶”冰面的鋪設(shè)中，制冰師要用花灑一層一層地均勻地在場地上灑水，灑水時應(yīng)保證步調(diào)一致，這樣才能保證水層均勻，才能保證冰層均勻，灑的水也有講究，用的是去除雜質(zhì)的純水。這樣的灑水過程至少要進(jìn)行四五十次，才能完成。對于速滑場館，冰面厚度一般要求在40-50mm，400米的冰面鋪設(shè)至少要一周以上，在制冰完成后，還要經(jīng)歷整冰和去冰融冰，才能得到符合要求的冰面。
如此復(fù)雜和精細(xì)的過程都是為了保證運動員的安全與發(fā)揮，冰面的任何瑕疵，都會給運動員帶來致命失誤，甚至讓運動員受傷。速滑館要求冰面要平整，沒有氣泡和裂痕。舉個例子，“冰絲帶”的冰面鋪設(shè)完成后，任意3平方米的最大誤差，不超過2mm，可見制冰之精細(xì)。
“冰絲帶”速滑館布局圖 | 圖源自參考資料1
為了提高冰面質(zhì)量，溜冰場可能還會在冰里加牛奶，這時因為牛奶油性大，往冰里加牛奶可以提高冰的彈性和抗裂能力，即使面對冰刀也可以減少劃痕。不過，“冰絲帶”可沒有用牛奶，指望去現(xiàn)場吃牛奶刨冰的朋友可以安心看比賽了。
說到這，不知道大家有沒有意識到一個問題，“冰絲帶”里的冰要求沒有裂痕和氣泡，那我能不能利用這種制冰技術(shù)在家里去制作冰可樂里的冰塊呢？
當(dāng)然是可以的，你也可以先撒很薄的一層水，等水凝成冰后，再在冰上繼續(xù)灑水，讓其凝固，如此下去，你也可以得到一大塊沒有氣泡的冰。不過還有更簡單的方法，你可以用一個保溫箱，里面放滿水，去掉蓋子，放進(jìn)冰箱，慢慢冷凍，不要徹底凍透，凍住上半部分就可以，讓下半部分還是液態(tài)，這樣凍好的上半部分就是沒有氣泡的“完美”冰塊了。
圖源自pixabay
這個原理簡單說，就是利用保溫箱，讓水只有表面接觸冷源，這樣水的結(jié)晶（即結(jié)冰）就會從上往下進(jìn)行，就會將水中的雜質(zhì)和氣體“擠下去”，下層的水就是用來承接這些雜質(zhì)和氣泡的。這個過程其實和“冰絲帶”制冰過程有異曲同工之妙，不過這里結(jié)冰的方向反了而已。當(dāng)然，你也可以試著去除水中的雜質(zhì)，不過僅是煮沸并不能完全去除雜質(zhì)，建議蒸餾試試。
至于更詳細(xì)的原理就要涉及到結(jié)晶的過程，我們簡單介紹一下結(jié)晶的成核和生長理論。
我們認(rèn)為，結(jié)晶并不是一蹴而就的，在物質(zhì)處于液態(tài)時，分子具有較大的自由度，但分子運動中有可能會出現(xiàn)少許分子聚集在一起形成微小的晶粒，晶粒與液體的表面能比較低，因此后續(xù)液體中的分子運動到晶粒附近時，就傾向于與晶粒成鍵，按晶格對稱性構(gòu)建成晶體。這樣，就像搭積木一樣，晶粒就會越長越大，最終形成晶體。
但晶體的成核需要克服勢壘，這也很好理解，如果液相可以自發(fā)成核，那物質(zhì)的液相就不可能是可以穩(wěn)定存在的。一般對于純凈的液相，成核的動力有三種，即恒壓下的過冷度，恒溫下的過飽和蒸氣壓以及恒溫恒壓下的過飽和濃度。水的結(jié)冰就是溫度達(dá)到水的冰點以下，在這里就是恒壓下的過冷度，換句話說，在壓強不變的情況下，當(dāng)溫度達(dá)到液相的凝固點之下，晶體便可以克服勢壘成核。當(dāng)然，關(guān)于成核理論，現(xiàn)在也有一些最新的理論。
但當(dāng)溶液中存在雜質(zhì)時，會發(fā)生非均勻成核。這是因為雜質(zhì)粒子與液相的分界面的界面能會降低成核的勢壘。在雜質(zhì)處處天然便存在一個界面，自然比液相分子自發(fā)聚集憑空創(chuàng)造一個界面容易。因此，雜質(zhì)處更容易成核。
冬日肥皂泡的結(jié)晶過程 | 圖源自pixabay
我們?nèi)绻１鶅鰰r，成核會首先發(fā)生在雜質(zhì)處，因此除非你能將水中所有雜質(zhì)全部去除，否則將雜質(zhì)凍在冰里無可避免，但如果我們利用保溫箱只在水的表面冷凍，水表面只有一層接觸冷源，在過冷度的驅(qū)使下，水在表面附近成核冰向下生長，而生長過程中雜質(zhì)便不容易摻進(jìn)去了，因此上層冷凍的冰塊不會包含雜質(zhì)。
冬奧“冰絲帶”制冰也是同樣的道理，不過比咱們這個高級一些。首先，冬奧用的水本身便幾乎沒有雜質(zhì)，噴灑的過程中每次又只噴灑薄薄一層，在這一層中幾乎可以認(rèn)為沒有雜質(zhì)，因此可以成核和生長過程都不會被打擾，得到的就是完美的冰層。
冰闊落 | 圖源自pixabay
這樣看來，我們在可樂里加的冰塊，還算是“冰絲帶的遠(yuǎn)房親戚”呢。
*參考資料：
[1]盧耀星. 速滑館建筑設(shè)計研究[D].華南理工大學(xué),2017.
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[4]張振雯,宇文怡旋,張振迎.CO? 制冷技術(shù)在人工冰場中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].制冷,2021,40(02):28-33.
北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會網(wǎng)站 (beijing2022.cn)
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關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)房親戚
