不知不覺，2022年冬奧會(huì)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(yùn)動(dòng)會(huì)由北京市與張家口市攜手舉辦，北京市也成為世界首個(gè)舉辦過夏季奧運(yùn)會(huì)和冬季奧運(yùn)會(huì)的城市。

冰雪運(yùn)動(dòng)的歷史

說起冬季的冰雪運(yùn)動(dòng)，咱們可就有的嘮了。根據(jù)最新的觀點(diǎn)，冰雪運(yùn)動(dòng)可能起源于我國(guó)新疆阿勒泰地區(qū)的舊石器時(shí)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(jiǎn)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(guó)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(dòng)“冰嬉”也成為宮廷體育娛樂活動(dòng)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

人工冰場(chǎng)

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(jī)械制冷技術(shù)幫助我們實(shí)現(xiàn)了人工建造冰場(chǎng)，滑冰這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)終于不再受制于天氣了。

人工建造的冰場(chǎng)通常會(huì)在場(chǎng)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(diǎn)之下，這樣就可以在混凝土層之上凍結(jié)冰層，建造冰場(chǎng)。

典型人工冰場(chǎng)場(chǎng)地構(gòu)造 | 圖源自參考資料2

本次冬奧會(huì)，秉承著“綠色奧運(yùn)”的理念，我們?cè)趫?chǎng)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(huì)的速滑場(chǎng)館是奧運(yùn)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。

CO? 跨臨界直冷技術(shù)

人工冰場(chǎng)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(jiǎn)單，就是利用液氨或氟利昂做制冷劑，通過制冷機(jī)組運(yùn)行為載冷劑降溫，再利用低溫的載冷劑再冰場(chǎng)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(dòng)，通過熱交換吸收熱量。

間接式制冷的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)也比較突出，首先是制冷劑方面，液氨制冷劑易于制取、價(jià)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(huì)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(huì)破壞臭氧層，為落實(shí)《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(dòng)，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(chǎng)下方管網(wǎng)，冰場(chǎng)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(huì)蒸發(fā)），實(shí)現(xiàn)降溫的目的。

那么，這個(gè)跨臨界是啥意思呢？其實(shí)也很簡(jiǎn)單，CO? 的臨界溫度是31.1℃，臨界壓力是7.38MPa。冬天冰場(chǎng)室溫較低，CO? 只在液態(tài)與氣態(tài)中轉(zhuǎn)變，此時(shí)，制冷系統(tǒng)在亞臨界運(yùn)行。但如果在夏天，室溫較高時(shí)，CO? 吸熱可能會(huì)超過臨界溫度，進(jìn)入超臨界流體相，回到儲(chǔ)液器之后，經(jīng)過冷卻，重新轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。這時(shí)，CO? 制冷系統(tǒng)便在跨臨界運(yùn)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(diǎn)十分突出。CO? 作為天然制冷劑對(duì)自然無危害，不可燃，無毒無味，只在濃度很高的時(shí)候才會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，價(jià)格低廉容易制??；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(yáng)程??；當(dāng)然，這種制冷方式也不是全是優(yōu)點(diǎn)。CO? 直接蒸發(fā)式制冷中管路潤(rùn)滑油十分重要，因此需要設(shè)計(jì)回油系統(tǒng)，另一方面，CO?直接蒸發(fā)式制冷中管網(wǎng)運(yùn)行壓力高，對(duì)管網(wǎng)強(qiáng)度，焊接工藝要求都很高。

CO? 跨臨界直冷技術(shù)場(chǎng)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(guó)家速滑館。

冰絲帶

冰絲帶國(guó)家速滑館，是本次冬奧會(huì)唯一新建場(chǎng)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(guó)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(chǎng)地上灑水，灑水時(shí)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(duì)于速滑場(chǎng)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(yùn)動(dòng)員的安全與發(fā)揮，冰面的任何瑕疵，都會(huì)給運(yùn)動(dòng)員帶來致命失誤，甚至讓運(yùn)動(dòng)員受傷。速滑館要求冰面要平整，沒有氣泡和裂痕。舉個(gè)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(chǎng)可能還會(huì)在冰里加牛奶，這時(shí)因?yàn)榕Ｄ逃托源?，往冰里加牛奶可以提高冰的彈性和抗裂能力，即使面?duì)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(chǎng)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(shí)到一個(gè)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？

透明冰塊

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(jiǎn)單的方法，你可以用一個(gè)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(gè)原理簡(jiǎn)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(huì)從上往下進(jìn)行，就會(huì)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(gè)過程其實(shí)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(jiǎn)單介紹一下結(jié)晶的成核和生長(zhǎng)理論。

晶體的成核與生長(zhǎng)

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(shí)，分子具有較大的自由度，但分子運(yùn)動(dòng)中有可能會(huì)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(yùn)動(dòng)到晶粒附近時(shí)，就傾向于與晶粒成鍵，按晶格對(duì)稱性構(gòu)建成晶體。這樣，就像搭積木一樣，晶粒就會(huì)越長(zhǎng)越大，最終形成晶體。

但晶體的成核需要克服勢(shì)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(duì)于純凈的液相，成核的動(dòng)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(diǎn)以下，在這里就是恒壓下的過冷度，換句話說，在壓強(qiáng)不變的情況下，當(dāng)溫度達(dá)到液相的凝固點(diǎn)之下，晶體便可以克服勢(shì)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(shí)，會(huì)發(fā)生非均勻成核。這是因?yàn)殡s質(zhì)粒子與液相的分界面的界面能會(huì)降低成核的勢(shì)壘。在雜質(zhì)處處天然便存在一個(gè)界面，自然比液相分子自發(fā)聚集憑空創(chuàng)造一個(gè)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(shí)，成核會(huì)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(zhǎng)，而生長(zhǎng)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(huì)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(gè)高級(jí)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(zhǎng)過程都不會(huì)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?cè)诳蓸防锛拥谋鶋K，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(jì)研究[D].華南理工大學(xué),2017.

[2]王派,李敏霞,宋瑞濤,詹浩淼,馬一太.CO? 跨（亞）臨界制冷人工冰場(chǎng)的分析與研究[J].制冷技術(shù),2020,40(02):25-30.

[3]劉楷.自然工質(zhì)CO? 在2022年北京冬奧會(huì)冰場(chǎng)的運(yùn)用[J].制冷技術(shù),2020,40(02):20-24.

[4]張振雯,宇文怡旋,張振迎.CO? 制冷技術(shù)在人工冰場(chǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].制冷,2021,40(02):28-33.

北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)組織委員會(huì)網(wǎng)站 (beijing2022.cn)

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七、晶體的成核與生長(zhǎng) - 豆丁網(wǎng) (docin.com)

成核_百度百科 (baidu.com)

【前沿報(bào)道】Science Advances：晶體如何形成——關(guān)于成核途徑的理論----中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 (cas.cn)

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